Всего несколько фотонов могут действовать как миллиарды

Большинство веществ, которые изучают физики, состоят из огромного количества частиц — настолько большого, что нет никакой разницы между поведенческими свойствами капли воды или целого плавательного бассейна. Даже одна капля может содержать более квадриллиона частиц.

Это делает понимание их коллективного поведения относительно легким. Например, и вода в капле и вода в бассейне замерзнет при 0°C и закипит при 100°C.

Такие «фазовые переходы» (т. е. от жидкости к твердому телу или от жидкости к газу) могут казаться резкими в этих больших системах, потому что задействовано так много частиц, и все они действуют одновременно. Но как насчет перехода в гораздо меньших системах? Когда частиц всего несколько, применяются ли те же правила фазовых переходов?

Чтобы ответить на эти вопросы, команда ученых из Имперского колледжа Лондона, Оксфордского университета и технологического института Карлсруэ, Германия, создала систему из менее чем 10 фотонов — частиц света. Результаты их экспериментов, опубликованные в издании Nature Physics, показывают, что фазовые переходы все еще происходят в системах, состоящих в среднем из семи частиц.

Изучение квантового поведения частиц намного проще с меньшим количеством частиц, поэтому тот факт, что фазовые переходы происходят в этих малых системах, означает, что ученые лучше способны изучать квантовые свойства, такие как когерентность.

Ведущий автор работы доктор Роберт Найман сказал: «Теперь, когда подтверждено, что «фазовый переход» по-прежнему является полезной концепцией в таких малых системах, мы можем исследовать свойства таким образом, что это было бы невозможно в больших системах. В частности, мы можем изучать квантовые свойства материи и света — то, что происходит в наименьшем масштабе при фазовых переходах.»

Системой, которую изучала команда ученых, был конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) фотонов. БЭК формируются, когда газ квантовых частиц настолько холоден или они так близко друг к другу, что их уже нельзя отличить. БЭК — это состояние вещества, которое имеет очень разные свойства от твердых веществ, жидкостей, газов или плазмы.

Команда исследователей обнаружила, что, добавив фотоны в систему, фазовый переход в БЭК произойдет, как только система достигнет семи фотонов, что меньше, чем в любом другом БЭК, который был замечен ранее. Будучи настолько малым, переход был менее резким, чем в более крупных системах, таких как водоемы, но тот факт, что переход произошел в предсказуемой точке, хорошо отражает большие системы.

Система была создана с помощью простого устройства — флуоресцентного красителя и изогнутых зеркал. Это означает, что, будучи полезным в изучении квантовых свойств, система может быть использована для создания и управления особыми состояниями света.

Benjamin T. Walker et al, Driven-dissipative non-equilibrium Bose–Einstein condensation of less than ten photons, Nature Physics (2018). DOI: 10.1038/s41567-018-0270-1