Физики наблюдают новую фазу в бозе-эйнштейновском конденсате фотонов

Около 10 лет назад исследователи из Боннского университета создали экстремальное агрегатное фотонное состояние, единый «суперфотон», состоящий из многих тысяч отдельных световых частиц, и представили совершенно новый источник света.

Это состояние называется оптическим конденсатом Бозе-Эйнштейна и с тех пор заинтересовало многих физиков, потому что этот экзотический мир частиц света является домом для своих собственных физических явлений. Теперь ученые сообщают о новом наблюдении: так называемая перегруженная фаза, ранее неизвестный фазовый переход в оптическом конденсате Бозе-Эйнштейна. Исследование было опубликовано в журнале Science.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — это экстремальное физическое состояние, которое обычно возникает только при очень низких температурах. Частицы в такой системе больше не различимы и находятся преимущественно в одном и том же квантово-механическом состоянии; другими словами, они ведут себя как одна гигантская «сверхчастица». Таким образом, состояние может быть описано одной волновой функцией.

В 2010 году исследователям под руководством Мартина Вейца впервые удалось создать конденсат Бозе-Эйнштейна из частиц света (фотонов). Их специальная система все еще используется сегодня: физики ловят частицы света в резонаторе, состоящем из двух криволинейных зеркал, расположенных на расстоянии чуть более микрометра друг от друга, которые отражают быстро вращающийся луч света.

Пространство заполняется жидким раствором красителя, который служит для охлаждения фотонов. Молекулы красителя «проглатывают» фотоны, а затем снова выплевывают их, что приводит световые частицы к температуре раствора красителя — эквивалентной комнатной температуре. Система позволяет охлаждать легкие частицы, поскольку их естественная характеристика — растворение при охлаждении.

Фазовый переход — это то, что физики называют переходом между водой и льдом во время замерзания. Но как происходит конкретный фазовый переход в системе захваченных частиц света? Ученые объясняют это так: полупрозрачные зеркала заставляют фотоны теряться и заменяться, создавая неравновесие, в результате которого система не принимает определенную температуру и начинает колебаться. Это создает переход между этой колебательной фазой и затухающей фазой. Затухание означает, что амплитуда вибрации уменьшается.

«Наблюдаемая нами сверхзатухающая фаза соответствует новому состоянию светового поля, так сказать», — говорит ведущий автор Фахри Эмре Озтюрк из Института прикладной физики Боннского университета. Особенностью является то, что действие лазера обычно не отделяется от эффекта конденсата Бозе-Эйнштейна фазовым переходом, и между этими двумя состояниями нет четко определенной границы. Это означает, что физики могут постоянно переключаться между эффектами.

«Однако в нашем эксперименте перегруженное состояние оптического конденсата Бозе-Эйнштейна отделяется фазовым переходом как от осциллирующего состояния, так и от стандартного лазера», — говорит руководитель исследования профессор Мартин Вейц.

«Это показывает, что существует конденсат Бозе-Эйнштейна, который действительно находится в другом состоянии, чем стандартный. «Другими словами, мы имеем дело с двумя отдельными фазами оптического конденсата Бозе-Эйнштейна», — говорит он.

Ученые планируют использовать свои результаты в качестве основы для дальнейших исследований по поиску новых состояний светового поля в многократно связанных световых конденсатах, которые также могут возникать в системе. «Если подходящие квантово-механические запутанные состояния возникают в связанных световых конденсатах, это может быть интересно для передачи квантово-зашифрованных сообщений между несколькими участниками», — говорит Фахри Эмре Озтюрк.

«Observation of a non-Hermitian phase transition in an optical quantum gas» Science (2021). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.abe9869