Учени са създали нов тип квантово състояние на светлината

Изследователи от университета в Бон, Германия са доказали, че фотонният кондензат на Бозе-Айнщайн се подчинява на фундаментална теорема на физиката. Това откритие дава възможност за измерване на свойствата на такива кондензати, които преди това са били трудни за получаване. Откритията на учените са публикувани в списание Nature Communications.

Когато много атоми се охладят до много ниска температура в ограничен обем, те стават неразличими и се държат като една „суперчастица“. Това състояние се нарича кондензат на Бозе-Айнщайн или квантов газ.

Фотоните също могат да се кондензират на подобен принцип и да се охлаждат от молекули багрила, които действат като миниатюрни хладилници, поглъщайки „горещите“ светлинни частици и излъчвайки ги отново при подходяща температура.

„При нашите експерименти напълнихме малък контейнер с разтвор на багрило. Стените на контейнера бяха силно отразяващи.“

обяснява д-р Юлиан Шмит от Института по приложна физика към Университета в Бон

Изследователите възбуждат молекулите на багрилото с лазер, който създава фотони, които се отразяват многократно между отразяващите повърхности. В резултат на постоянните сблъсъци с молекулите на багрилото фотоните се охлаждали и кондензирали в квантов газ.

Процесът продължава и суперфотонните частици постоянно се сблъскват с молекулите на багрилото, като се поглъщат и излъчват отново. По този начин квантовият газ периодично съдържа повече или по-малко фотони, което го кара да трепти като свещ.

„Използвахме това трептене, за да проверим дали една важна теорема от физиката се прилага в система от квантов газ.“

обяснява Шмит

Това е така наречената „регресионна теорема“, която може да се илюстрира с прост пример: нека си представим, че суперфотонът е огън, който понякога и внезапно се разпалва много ярко. След такова разпалване огънят постепенно угасва и се връща в първоначалното си състояние.

Казано по-просто, регресионната теорема предсказва, че огънят ще утихне по същия начин, както ако избликът е възникнал случайно. Това означава, че той реагира на смущение точно така, както се колебае сам по себе си без смущение.

„Интересуваше ни дали това поведение се отнася и за квантовите газове.“

обяснява Шмит

Изследователите първо измерват трептенето на суперфотоните, за да определят количествено статистическите флуктуации. След това те „подклаждат огъня“, като за кратко излагат суперфотона на въздействието на друг лазер. Тази пертурбация предизвикала краткотрайно проблясване, след което системата бавно се върнала към първоначалното си състояние.

„Успяхме да наблюдаваме, че реакцията на това леко смущение точно съответства на динамиката на случайните флуктуации без смущение. По този начин за първи път доказахме, че тази теорема е приложима и за екзотични форми на материята, като например квантовите газове.„

казва физикът

Интересно е, че това е вярно и за силните смущения. Обикновено системите реагират по различен начин на силни смущения, отколкото на слаби. Например един слой лед може внезапно да се напука, ако напрежението върху него стане твърде голямо.

Резултатите имат важно значение за фундаменталните изследвания на фотонните квантови газове, тъй като често е трудно да се определи как точно ще трептят в яркостта си.

„Това ни позволява да изследваме неизвестни свойства при много контролирани условия. Например, това ще ни помогне да разберем как се държат новите фотонни материали, съставени от много суперфотони.“