Учёные ИТМО выяснили, что атом «перенимает» закрученную структуру при поглощении закрученного света. Это открытие можно использовать, чтобы проще и быстрее закручивать частицы и атомы при помощи лазера. Предложенная модель поможет лучше понять физику взаимодействия структурированного света и сложных квантовых систем, а также пригодится в микроскопии, квантовой томографии, квантовых вычислениях и телекоммуникации. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Закрученные частицы отличаются от обычных тем, что форма их волнового фронта напоминает винт мясорубки или спираль штопора. Они перспективны для анализа структуры материалов в электронной микроскопии и передачи информации.
Обычно закрученную структуру частицам придают с помощью специальных дифракционных решёток, через которые пропускают поток частиц. Сложность этого метода в том, что с увеличением энергии частиц размер такой решётки (её период) становится очень маленьким и её практически невозможно изготовить. Поэтому дифракционный метод трудно реализовать на современных ускорителях частиц и ионов.
В ИТМО придумали принципиально новый способ, как проще и быстрее придавать закрученную структуру атомам. Для этого учёные рассчитали, как волновая функция фотона (то есть её закрученная структура) взаимодействует с электроном в водородоподобном атоме: оказалось, при поглощении такого фотона атом перенимает его закрученную структуру.
«Поскольку квантовое состояние света — это некоторая информация, то при любом взаимодействии света без потерь с некой системой эта информация должна сохраниться. Мы выяснили, что если передача этой информации невозможна электрону напрямую, то почти вся информация, которая была сохранена в фотоне, переходит к центру масс атома. В перспективе наше исследование поможет лучше понять, как работают различные законы сохранения в процессах со структурированным светом — например, как квантовое состояние света преобразуется при поглощении фотона электроном в атоме, помещённым в ловушку, или как передаётся закрученность от фотона электрону в процессе его выбивания из вещества», — рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник физического факультета Станислав Батурин.Экспериментальная схема преобразования закрученных атомов от фотона к атому в магнитном поле соленоида. Источник: S. S. Baturin and A. V. Volotka // Physical Review, 2024
В будущем учёные планируют проверить свою теорию экспериментально на ускорителях частиц или на специальных установках для спектроскопии. Согласно расчётам, если однократно посветить лазером на поток атомов, часть из них обретёт закрученную структуру. Метод потребует минимальной модификации — для этого нужно лишь немного переделать лазер.
Новый подход позволит быстро и просто создавать закрученные атомы для дальнейших исследований, а также поможет сделать первый шаг к систематическому описанию составных закрученных частиц. В дальнейшем учёные намерены адаптировать этот способ создания закрученных частиц и для других сложных объектов — например, протона.
Источник новости: habr.com
