Fizycy z Uniwersytetu w Bonn i Uniwersytetu Kaiserslautern-Landau (RPTU) stworzyli jednowymiarowy gaz ze światła. Pozwoliło im to po raz pierwszy przetestować teoretyczne przewidywania dotyczące przejścia do tego egzotycznego stanu materii. Metodę użytą w eksperymencie przez badaczy można wykorzystać do badania efektów kwantowych. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature Physics”.
Wyobraź sobie, że stoisz przy basenie i wpadłeś na pomysł, żeby napełnić go jeszcze większą ilością wody. Chwytasz wąż ogrodowy i używasz go do wytworzenia strumienia wody, który zakręca w wysokim łuku, aby spaść na powierzchnię basenu. Poziom wody wzrasta na krótko w punkcie, w którym strumień wody uderza w basen, ale ta zmiana poziomu wody jest tylko minimalna, ponieważ spadająca woda szybko rozprowadza się po całej powierzchni wody.
Efekt jest jednak inny, jeśli napełnisz rynnę strumieniem wody. Strumień tworzy falę wody w miejscu, w którym kierujesz wąż. Dzieje się tak, ponieważ ścianki rynny zapewniają, że woda nie może wypłynąć na powierzchnię, ale może być rozprowadzana tylko w kierunku rynny. Im węższa rynna, tym większa amplituda fali, a zatem staje się ona „bardziej jednowymiarowa”.
Fizycy z Instytutu Fizyki Stosowanej (IAP) na Uniwersytecie w Bonn we współpracy z kolegami z RPTU zbadali, czy podobne efekty wymiarowości można osiągnąć również w przypadku gazów zbudowanych z lekkich cząstek. „Aby stworzyć tego typu gazy, musimy skoncentrować wiele fotonów w ograniczonej przestrzeni i jednocześnie je schłodzić” — wyjaśnia dr Frank Vewinger z IAP, który jest również członkiem transdyscyplinarnego obszaru badawczego „Materia” na Uniwersytecie w Bonn.
Mikroskopijnie małe rynny
W swoim eksperymencie naukowcy napełnili malutki pojemnik roztworem barwnika i wzbudzili go za pomocą lasera. Powstałe fotony odbijały się tam i z powrotem między odbijającymi ściankami pojemnika. Za każdym razem, gdy zderzały się z cząsteczką barwnika, były chłodzone, aż ostatecznie gaz fotonowy uległ skropleniu.
Na wymiarowość gazu można wpływać, modyfikując powierzchnię odbijających powierzchni. Naukowcy z IAP współpracowali z grupą badawczą kierowaną przez prof. dr. Georga von Freymanna z RPTU w tym badaniu. Metodę strukturyzacji o wysokiej rozdzielczości zaadaptowano tak, aby można ją było zastosować do odbijających powierzchni pojemnika na fotony w tym eksperymencie. „Byliśmy w stanie zastosować przezroczysty polimer do odbijających powierzchni, aby stworzyć mikroskopijnie małe wypukłości” — wyjaśnia Julian Schulz z RPTU. „Te wypukłości pozwalają nam uwięzić fotony w jednym lub dwóch wymiarach i je skondensować”.
„Te polimery działają jak rodzaj rynny, ale w tym przypadku dla światła” — mówi Kirankumar Karkihalli Umesh, główny autor badania. „Im węższa jest ta rynna, tym bardziej jednowymiarowo zachowuje się gaz”.
Wahania temperatury rozmazują punkt kondensacji
W dwóch wymiarach istnieje precyzyjna granica temperatury, przy której następuje kondensacja — podobnie jak woda zamarza dokładnie w zero stopni Celsjusza. Fizycy nazywają to przejściem fazowym. „Jednakże sprawy wyglądają nieco inaczej, gdy tworzymy gaz jednowymiarowy zamiast dwuwymiarowego” — mówi Vewinger. „Tak zwane fluktuacje termiczne zachodzą w gazach fotonowych, ale są tak małe w dwóch wymiarach, że nie mają żadnego rzeczywistego wpływu. Jednak w jednym wymiarze te fluktuacje mogą — mówiąc w przenośni — wywoływać duże fale”.
Fluktuacje te niszczą porządek jednowymiarowych układów, tak że różne obszary w gazie nie zachowują się już tak samo. W rezultacie przejście fazowe, które jest nadal precyzyjnie zdefiniowane w dwóch wymiarach, staje się coraz bardziej „rozmyte”, im bardziej jednowymiarowy staje się układ. Jednak jego właściwości są nadal regulowane przez fizykę kwantową, tak jak w przypadku gazów dwuwymiarowych, a tego typu gazy nazywane są zdegenerowanymi gazami kwantowymi. To tak, jakby woda miała zamienić się w formę lodowatej wody w niskich temperaturach, nigdy całkowicie nie zamarzając podczas chłodzenia. „Po raz pierwszy udało nam się zbadać to zachowanie przy przejściu z dwuwymiarowego do jednowymiarowego gazu fotonowego” — wyjaśnia Vewinger.
Grupy badawcze były w stanie wykazać, że jednowymiarowe gazy fotonowe nie mają w rzeczywistości precyzyjnego punktu kondensacji. Dokonując drobnych zmian w strukturach polimerów, będzie teraz możliwe badanie zjawisk zachodzących przy przejściu między różnymi wymiarami w najdrobniejszych szczegółach. Obecnie nadal uważa się to za badania podstawowe, ale możliwe jest, że może to otworzyć nowe obszary zastosowań dla kwantowych efektów optycznych.
Instytucje uczestniczące i finansowanie:
W badaniu wzięły udział następujące instytucje: IAP na Uniwersytecie w Bonn, Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics (ITWM) w Kaiserslautern i Uniwersytet Kaiserslautern-Landau (RPTU). Badanie zostało sfinansowane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) Unii Europejskiej i Niemiecką Fundację ds. Badań Naukowych (DFG) w ramach Collaborative Research Centre TRR 185.