Физикам впервые удалось создать из чистого света одноразмерный газ, и они планируют использовать его для изучения поведения фотонов, или частиц света, на квантовом уровне.
Учёные создали новое состояние вещества, называемое фотонным газом, направив лазер в отражающий контейнер, заполненный красителем, что привело к охлаждению и конденсации фотонов в луче. Результаты исследования были опубликованы 6 сентября в журнале Nature Physics.
«Чтобы создать такие газы, нам нужно сосредоточить множество фотонов в ограниченном пространстве и одновременно их охладить», — отметил старший автор исследования Франк Вевингер (Frank Vewinger), физик из Университета Бонна.
Фотоны являются бозонами — частицами с целым спином, что означает, что они могут находиться в одном и том же состоянии и пространстве в определенный момент времени. Когда газ бозонов охлаждается до температуры близкой к абсолютному нулю, все его частицы теряют свою энергию и переходят в одни и те же энергетические состояния.
Поскольку мы можем различать идентичные частицы в облаке газа только по их энергетическим уровням, этот процесс выравнивания оказывает глубокое влияние: облако частиц, которое в более тёплом газе колеблется и сталкивается, становится, с точки зрения квантовой механики, совершенно идентичным, создавая неуловимую форму материи, называемую конденсатом Бозе-Эйнштейна.
Существование в форме конденсата приводит к тому, что позиции частиц в газе становятся крайне неопределёнными. В результате области, которые каждая частица может занимать, становятся больше, чем промежутки между самими частицами. Вместо отдельных объектов, перекрывающиеся фотоны в фотонном газе ведут себя так, как будто они представляют собой одну гигантскую частицу.
Ранее физики уже создавали фотонные газы в двух измерениях, но создать их в одном измерении значительно сложнее.
«Создание одноразмерного газа отличается от создания двухмерного, — сказал Вевингер. — Так называемые тепловые флуктуации происходят в фотонных газах, но в двух измерениях они настолько малы, что не оказывают реального воздействия. Однако в одном измерении эти флуктуации могут — если можно так сказать — создавать большие волны.»
Чтобы создать одноразмерный фотонный газ, исследователи заполнили крошечный отражающий контейнер раствором красителя, а затем направили в него лазер. Фотоны лазерного света отражались внутри контейнера, пока не столкнулись с молекулами красителя, которые забрали у них энергию и привели к их слипанию.
Нанесение прозрачного полимера на отражающие стены контейнера позволило исследователям изменить способ отражения света, так что он эффективно конденсировался в одном измерении — в виде линии.
«Эти полимеры действуют как некий тип желоба, но в данном случае для света, — пояснил ведущий автор исследования Киранкулар Каркихалли Умеш (Kirankumar Karkihalli Umesh), аспирант Университета Бонна. — Чем уже этот желоб, тем более одномерно ведёт себя газ.»
Изучая недавно созданный одномерный фотонный газ, исследователи подтвердили, что он ведёт себя совершенно иначе, чем его двумерная форма. В отличие от двумерных фотонных газов, тепловые флуктуации их одномерных собратьев не позволяют им полностью конденсироваться в определённых областях. По мнению исследователей, это создаёт частичный фазовый переход между лазерным светом и его конденсатной формой, которая «размазывается» по газу, как ледяная вода, которая не полностью замёрзла.
Изучение того, как фотонный газ различается в зависимости от измерений, может помочь исследователям открыть ещё не обнаруженные квантово-оптические эффекты.
