Ученые превратили свет в одномерный газ со странными свойствами

Группа физиков создала одномерный газ из света, изучая любопытные свойства этого странного состояния материи.

Когда ученые охлаждают определенные частицы почти до абсолютного нуля, могут начать происходить довольно интересные вещи. В частности, может образоваться нечто, называемое «конденсатом Бозе-Эйнштейна» (БЭК, англ. BEC), состояние материи, предсказанное как следствие из законов квантовой механики Альбертом Эйнштейном на основе работ индийского физика Шатьендраната Бозе.

Когда газ бозонов — субатомных частиц-носителей силы, имеющих целочисленный спин — охлаждается до температур, приближающихся к абсолютному нулю, они образуют единый квантовый объект, часто сравниваемый с тем, что он действует как единый атом.

«Волновая функция BEC соответствует основному состоянию макроскопического квантового объекта», — поясняется в одной из статей на эту тему. «Другими словами, совокупность атомов в BEC ведет себя как единая квантовая сущность».

В этом странном состоянии материи, впервые созданном в 1995 году, исследователи получают макроскопический взгляд на квантовое поведение.

У него много странных свойств, включая нулевую вязкость. Если поместить немного этого вещества в стакан, оно поползет вверх по стенке стакана. Оно может поддерживать вихри, которые можно использовать для создания аналоговых черных дыр, и взрываться подобно маленькой сверхновой, называемой бозеновой (Bosenova).

Можно создать БЭК из всего, что подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Это проще с бозонами — субатомными частицами с целым спином — хотя вы можете создать его и с фермионными парами, известными как куперовские пары, где половинные спины складываются в целое число, позволяя фермионам занимать одно и то же квантовое состояние.

Фотоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и поэтому могут быть превращены в БЭК без какого-либо сложного сопряжения. В новом исследовании команда физиков из Боннского университета и Университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии сделала именно это, хотя и с дополнительным усложнением создания конденсата в одном и двух измерениях.

«Чтобы создать эти типы газов, нам необходимо сконцентрировать множество фотонов в ограниченном пространстве и одновременно охладить их», — пояснил в своем заявлении доктор наук Франк Вевингер.

Для этого ученые заполнили крошечный отражающий контейнер раствором красителя, а затем возбудили раствор красителя лазером. Не имея возможности двигаться, фотоны света отскакивали от стенок, пока не сталкивались с молекулами красителя. Именно эти столкновения охлаждали фотоны, пока в конечном итоге фотонный газ не конденсировался.

Изменяя поверхность контейнера, команда ученых смогла запереть охлажденные фотоны в одном или двух измерениях.

«Мы смогли нанести прозрачный полимер на отражающие поверхности, чтобы создать микроскопически малые выступы», — пояснил Джулиан Шульц из Университета Кайзерслаутерна-Ландау. «Эти выступы позволяют нам захватывать фотоны в одном или двух измерениях и конденсировать их».

«Эти полимеры действуют как своего рода желоб, но в данном случае для света», — добавил ведущий автор Киранкумар Каркихалли Умеш. «Чем уже этот желоб, тем более одномерно ведет себя газ».

Хотя обычные двумерные БЭК сами по себе достаточно интересны, команде удалось изучить газ в одном измерении (по сути, сжатый в крошечную точку) и в двух измерениях, а также переход между двумя измерениями.

«Все немного по-другому, когда мы создаем одномерный газ вместо двумерного», — объясняет Франк Вевингер. «В фотонных газах происходят так называемые тепловые флуктуации, но они настолько малы в двух измерениях, что не оказывают реального влияния. Однако в одном измерении эти флуктуации могут — образно говоря — создавать большие волны».

Эти флуктуации температуры в одном измерении означают, что весь БЭК не ведет себя одинаково, а разные области ведут себя по-разному, как вырожденный квантовый газ.

«Теперь нам впервые удалось исследовать это поведение при переходе от двумерного к одномерному фотонному газу», — добавил Франк Вевингер.

Ученые обнаружили, что хотя двумерные БЭК возникают при определенных температурах, приближающихся к абсолютному нулю (подобно тому, как вода превращается в лед при 0 °C), для одномерных фотонных газов не существует точной точки конденсации.

Исследовательские группы смогли продемонстрировать, что одномерные фотонные газы на самом деле не имеют точной точки конденсации. Внося крошечные изменения в полимерные структуры, теперь можно будет детально изучить явления, происходящие при переходе между различными размерностями (измерениями). На данный момент эта работа все еще считается фундаментальным исследованием, но не исключено, что она откроет новые области применения квантовых оптических эффектов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.