Светлината уловена в едноизмерен капан: физиците се научиха как да променят размерността на светлината

Физиците откриха нови възможности за изучаване на фотонните системи.

Физици от университета в Бон и университета в Кайзерслаутерн-Ландау проведоха уникални експерименти, по време на които успяха да създадат едноизмерен фотонен газ и да изследват неговите свойства. В процеса на изследванията те наблюдаваха прехода на фотонния газ от двумерно състояние в едномерно, като използваха специален капан за фотони. Резултатите от работата им са публикувани в авторитетното списание Nature Physics .

Създаването на фотонен газ изисква едновременното сгъстяване на голям брой фотони в ограничено пространство и тяхното охлаждане. В експеримента изследователите са използвали малък контейнер, напълнен с разтвор на оцветител. Този разтвор е бил облъчен с лазер, което е довело до образуването на фотони, които многократно са се отразявали от стените на контейнера. При всеки сблъсък с молекулите на багрилото фотоните губели енергия и се охлаждали, което в крайна сметка довело до кондензация на фотонния газ – процес, подобен на образуването на течни капки в обикновените газове.

Една от ключовите характеристики на това изследване е възможността да се контролира размерността на фотонния газ. Това беше постигнато чрез промяна на повърхността на отразяващите стени на контейнера. Учените са приложили прозрачни полимерни структури към тези повърхности, създавайки микроскопични изпъкналости, които са позволили фотоните да бъдат задържани в едноизмерна или двуизмерна конфигурация. Според участниците в експеримента полимерите са действали като „корита“ за светлината: колкото по-тясно е това „корито“, толкова по-близо до едноизмерното състояние е преминавал фотонният газ.

Размерността на газа оказва пряко влияние върху неговите физични свойства. В двуизмерните системи има точно определена температура, при която настъпва кондензация – фазов преход, аналогичен на замръзването на водата при 0 градуса по Целзий. В едномерните системи обаче ситуацията е много по-сложна. Тук влизат в действие топлинни колебания, които в двумерните системи са почти незабележими, но в едномерните системи могат да повлияят значително на поведението на газа. Тези флуктуации разрушават реда в системата, като предизвикват промени в различни части на газа, което прави фазовия преход по-малко ясен.

Въпреки това едномерният фотонен газ продължава да се подчинява на законите на квантовата физика, също като двумерния, но се държи по различен начин. Тези газове се наричат дегенеративни квантови газове. Това може да се разглежда като вода, която при охлаждане не се превръща напълно в твърд лед, а остава като смес от вода и лед.

Един от авторите на изследването отбеляза, че за първи път учените са успели да наблюдават този процес на границата на прехода от двуизмерен към едноизмерен фотонен газ. По време на експериментите е доказано, че едномерните фотонни газове нямат точно определена температура на кондензация, както това се случва в двумерните системи. Този резултат открива нови възможности за по-задълбочено изследване на преходите между различните измерения, което потенциално може да доведе до нови открития в квантовата оптика.

Въпреки че настоящото изследване е фундаментално по своя характер, резултатите могат да бъдат полезни за разработването на нови технологии, свързани с контрола на светлината и квантовите системи. Възможността за фина настройка на свойствата на фотонния газ чрез модифициране на полимерните структури отваря вратата към разработването на нови квантови оптични устройства и потенциално може да намери приложение в бъдещите компютърни и телекомуникационни системи.