PRL: впервые стабилизированы солитоны материи в решетке из лазерного света

Физики впервые смогли создать и напрямую зафиксировать устойчивые яркие солитоны материи с притягивающим взаимодействием внутри оптической решетки — периодической структуры из лазерного света. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

В квантовом мире атомы обычно ведут себя как волны и со временем "расплываются" в пространстве.

Солитоны — редкое исключение: это волновые пакеты, которые сохраняют форму и не рассеиваются благодаря тонкому балансу взаимодействий. Ранее такие структуры удавалось получать в свободном пространстве, однако внутри периодических световых структур их стабилизировать не получалось. Теперь ученым удалось сделать это за счет притяжения между атомами.

Эксперимент был проведен с облаком атомов цезия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, в состоянии бозе–эйнштейновского конденсата. Атомы поместили в оптическую решетку, сформированную пересекающимися лазерными лучами, которая создает регулярный "кристалл" из световых ловушек. С помощью магнитных полей исследователи точно настроили притягивающее взаимодействие между атомами, добившись устойчивого состояния: при слишком слабом притяжении солитоны распадались, а при слишком сильном — система коллапсировала.

Чтобы убедиться, что солитоны действительно сформировались, ученые использовали так называемую "аккордеонную" решетку — лазерную структуру с регулируемым расстоянием между узлами. Постепенно увеличивая шаг решетки, они отслеживали поведение атомов косвенным способом, пропуская через систему резонансный лазерный свет и анализируя его поглощение.

Это позволило установить, что в системе возникли устойчивые солитонные кластеры.

Были обнаружены два типа состояний: в одном случае атомы концентрировались в одной ячейке решетки, в другом — занимали сразу несколько узлов, оставаясь при этом единым связанным объектом. Такие структуры сохраняли устойчивость почти полсекунды — очень долго по меркам квантовых экспериментов.

Авторы работы отметили, что полученный уровень контроля над волнами материи открывает путь к изучению новых нелинейных квантовых состояний в оптических решетках. В перспективе это может привести к созданию более стабильных квантовых сенсоров и способов переноса квантовой информации без потери ее свойств