Naukowcy z Uniwersytetu w Bonn stworzyli gaz z lekkich cząstek, który można ekstremalnie skompresować. Ich wyniki potwierdzają przewidywania centralnych teorii fizyki kwantowej. Odkrycia mogą również wskazać drogę do nowych typów czujników, które mogą mierzyć siły minimalne. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Science.
Jeśli zatkasz wylot pompy powietrza palcem, nadal możesz popchnąć jej tłok w dół. Powód: gazy są dość łatwe do skompresowania – na przykład w przeciwieństwie do cieczy. Gdyby pompa zawierała wodę zamiast powietrza, poruszanie tłokiem byłoby w zasadzie niemożliwe, nawet przy największym wysiłku.
Gazy zwykle składają się z atomów lub cząsteczek, które szybciej lub wolniej wirują w przestrzeni. Podobnie jest ze światłem: jego najmniejszymi budulcami są fotony, które pod pewnym względem zachowują się jak cząstki. I te fotony można też traktować jako gaz, jednak zachowujący się nieco nietypowo: można go skompresować w określonych warunkach prawie bez wysiłku. Przynajmniej tak przewiduje teoria.
Fotony w lusterku
Naukowcy z Instytutu Fizyki Stosowanej (IAP) na Uniwersytecie w Bonn po raz pierwszy wykazali właśnie ten efekt w eksperymentach. „Aby to zrobić, przechowywaliśmy cząstki światła w maleńkim pudełku z luster” – wyjaśnia dr Julian Schmitt z IAP, który jest głównym badaczem w grupie prof. dr Martina Weitza. „Im więcej fotonów tam umieściliśmy, tym gęstszy stawał się gaz fotonowy”.
Zasada jest taka: im gęstszy gaz, tym trudniej go skompresować. Tak jest również w przypadku zatkanej pompy powietrza – na początku tłok można bardzo łatwo wcisnąć w dół, ale w pewnym momencie prawie nie da się go ruszyć dalej, nawet przy użyciu dużej siły. Eksperymenty w Bonn były początkowo podobne: im więcej fotonów włożyli do zwierciadła, tym trudniej było skompresować gaz.
Jednak zachowanie zmieniło się nagle w pewnym momencie: gdy tylko gaz fotonowy przekroczył określoną gęstość, mógł zostać nagle skompresowany prawie bez oporu. „Efekt ten wynika z zasad mechaniki kwantowej”, wyjaśnia Schmitt, który jest również członkiem stowarzyszonym Cluster of Excellence „Matter and Light for Quantum Computing” oraz liderem projektu w Transregio Collaborative Research Center 185. Powód: światło cząstki wykazują „rozmycie” – w uproszczeniu ich lokalizacja jest nieco rozmyta. Gdy zbliżają się do siebie bardzo blisko siebie przy dużych gęstościach, fotony zaczynają się nakładać. Fizycy mówią wtedy również o „degeneracji kwantowej” gazu. I znacznie łatwiej jest skompresować taki zdegenerowany gaz kwantowy.
Samoorganizujące się fotony
Jeśli nakładanie się jest wystarczająco silne, cząstki światła łączą się, tworząc rodzaj superfotonu, kondensatu Bosego-Einsteina. W uproszczeniu proces ten można porównać do zamrażania wody: w stanie ciekłym cząsteczki wody są nieuporządkowane; następnie, w punkcie zamarzania, tworzą się pierwsze kryształki lodu, które ostatecznie łączą się w rozciągniętą, wysoce uporządkowaną warstwę lodu. „Wyspy porządku” powstają również tuż przed uformowaniem się kondensatu Bosego-Einsteina, a wraz z dalszym dodawaniem fotonów stają się coraz większe.
Kondensat powstaje tylko wtedy, gdy wyspy te rozrosły się tak bardzo, że porządek rozciąga się na całą skrzynkę zwierciadlaną zawierającą fotony. Można to porównać do jeziora, na którym niezależne kry w końcu połączyły się, tworząc jednolitą powierzchnię. Oczywiście wymaga to znacznie większej liczby cząstek światła w rozbudowanym pudełku w porównaniu z małym. „Byliśmy w stanie zademonstrować tę zależność w naszych eksperymentach”, podkreśla Schmitt.
Aby wytworzyć gaz o zmiennej liczbie cząstek i dobrze określonej temperaturze, naukowcy wykorzystują „kąpiel grzewczą”: „Wstawiamy cząsteczki do lustra, które mogą pochłaniać fotony”, wyjaśnia Schmitt. „Następnie emitują nowe fotony, które średnio mają temperaturę cząsteczek – w naszym przypadku nieco poniżej 300 kelwinów, czyli mniej więcej w temperaturze pokojowej”.
Naukowcy musieli również pokonać inną przeszkodę: gazy fotonowe zwykle nie mają jednakowej gęstości – w niektórych miejscach jest znacznie więcej cząstek niż w innych. Wynika to z kształtu pułapki, w której zwykle się znajdują. „W naszych eksperymentach przyjęliśmy inne podejście” – mówi Erik Busley, pierwszy autor publikacji. „Przechwytujemy fotony w zwierciadle płaskodennym, które stworzyliśmy za pomocą metody mikrostrukturyzacji. To pozwoliło nam po raz pierwszy stworzyć jednorodny gaz kwantowy fotonów”.
W przyszłości wzmocniona kwantowo ściśliwość gazu umożliwi badania nad nowatorskimi czujnikami, które mogą mierzyć niewielkie siły. Oprócz perspektyw technologicznych wyniki są również bardzo interesujące dla badań podstawowych.
Finansowanie:
Badanie było wspierane przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) w ramach współpracującego centrum badawczego TRR 185 „OSCAR — Open System Control of Atomic and Photonic Matter” oraz klastra doskonałości „Materia i światło dla obliczeń kwantowych (ML4Q)” oraz przez Unię Europejską w ramach flagowego projektu kwantowego „PhoQuS – Fotony do symulacji kwantowej”.
Wideo: https://youtu.be/lyrd5srcyEo