Группа физиков создала одномерный газ из света, исследуя удивительные свойства этого необычного состояния материи.
Когда некоторые частицы охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, начинают происходить интересные явления. В частности, может образоваться "конденсат Бозе-Эйнштейна" (КБЭ) - состояние материи, впервые предусмотренное Альбертом Эйнштейном на основе работ теоретического физика Сатьендры Ната Бозе. Когда газ бозонов – субатомных частиц, имеющих целое значение спина – охлаждается до температур, близких к абсолютному нулю, они образуют единственный квантовый объект, часто сравниваемый с действием одного атома.
"Волновая функция КБЭ соответствует основному состоянию макроскопического квантового объекта", объясняется в одном из исследований. «Другими словами, группа атомов в КБЭ ведет себя как единственная квантовая сущность».
В этом новом удивительном состоянии материи, впервые созданном в реальном мире в 1995 году, можно наблюдать макроскопические проявления квантового поведения.
Это состояние имеет ряд необычных свойств, включая нулевую вязкость. Если вы нальете немного этого вещества в стакан, оно медленно поднимется по его стенкам. Такие конденсаты могут поддерживать вихри, которые можно использовать для создания аналогов черных дыр, а также взрываться, подобно сверхновому, в явлении, названном "бозенова". Неудивительно поэтому, что эти вещества являются предметом научных исследований.
КБЭ можно создать из любого вещества, подчиняющегося статистике Бозе-Эйнштейна. Это легче сделать с бозонами, однако КБЭ можно получить и с парами фермионов, где спины половиц образуют целое значение, что позволяет фермионам занимать то же квантовое состояние.
Фотоны, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна, также могут преобразовываться в КБЭ без сложного образования пар. В новом исследовании команда из Университета Бонна и Университета Кайзерслаутерна-Ландау в Германии осуществила именно это с той разницей, что конденсат был создан в одном и двух измерениях.
«Чтобы создать эти типы газов, мы должны сконцентрировать большое количество фотонов в замкнутом пространстве и одновременно охлаждать их», – пояснил доктор Франк Февингер из Института прикладной физики.
Для этого команда заполнила крохотный отражательный контейнер раствором красителя и разбудила этот раствор с помощью лазера. Фотоны света отражались от стен контейнера, пока не столкнулись с молекулами красителя, и именно эти столкновения охладили фотоны, пока газ фотонов не конденсировался.
Посредством изменения поверхности контейнера команда смогла захватить охлажденные фотоны в одном или двух измерениях.
"Мы смогли нанести прозрачный полимер на отражательные поверхности, создав микроскопически малые выступы", - объяснил Юлиан Шульц из Университета Кайзерслаутерна-Ландау. Эти выступления позволили нам захватить фотоны в одном или двух измерениях и конденсировать их.
"Эти полимеры действуют как своеобразный желоб, но в этом случае для света", - добавил ведущий автор исследования Киранкумар Каркигалли Умеш. «Чем уже этот желоб, тем более одномерно ведет газ».
Хотя двумерные КБЭ сами по себе представляют интересное явление, команда смогла исследовать газ в одном измерении (по сути, сжатый в крошечную точку) и в двух измерениях, а также переход между этими двумя состояниями.
"Когда мы создаем одномерный газ вместо двумерного, несколько меняется", - объяснил Февингер. «Так называемые тепловые флуктуации происходят в фотонных газах, но они настолько малы в двух измерениях, что не оказывают существенного влияния. Однако в одном измерении эти флуктуации могут, образно говоря, вызвать большие волны».
Эти температурные флуктуации в одном измерении приводят к тому, что КБЭ ведет себя по-разному в разных регионах, подобно вырожденному квантовому газу.
"Мы впервые смогли исследовать это поведение при переходе от двумерного к одномерному фотонному газу", - добавил Февингер.
Команда обнаружила, что, хотя двумерные КБЭ образуются при определенных температурах, близких к абсолютному нулю, для одномерного фотонного газа нет точной точки конденсации.
Хотя это исследование интересно и может использоваться в области квантовой оптики, изучение одномерного конденсата все еще находится на начальной стадии, и команда планирует продолжить исследование в будущем.
