Blot syv fotoner kan fungere som milliarder

Et system lavet af kun en håndfuld partikler fungerer ligesom større systemer, giver forskere lettere mulighed for at studere kvanteadfærd.

De fleste stoffer, fysikere studerer, består af et stort antal partikler - så store, at der i det væsentlige ikke er nogen forskel mellem adfærdsmæssige egenskaber ved en dråbe eller en swimmingpools værdi af rent vand. Selv en enkelt dråbe kan indeholde mere end en kvadrillion partikler.

Dette gør det lettere at forstå deres kollektive adfærd. For eksempel, både vandet i dråben og i poolen vil fryse ved 0C og koge ved 100C.

Sådanne 'faseovergange' (dvs. fra væske til fast stof eller fra væske til gas) kan forekomme bratte i disse store systemer, fordi der er så mange partikler involveret, at de alle ser ud til at virke på én gang. Men hvad med langt mindre systemer? Når der kun er en håndfuld partikler, gælder de samme regler for faseovergange?

For at besvare disse spørgsmål, et team af forskere fra Imperial College London, University of Oxford og Karlsruhe Institute of Technology, Tyskland, lavede et system med mindre end 10 fotoner, de grundlæggende lyspartikler. Resultaterne af deres eksperimenter, udgivet i dag i Naturfysik , viser, at faseovergange stadig forekommer i systemer, der består af så få som syv partikler i gennemsnit.

At studere kvanteadfærd af partikler er meget lettere med færre partikler, så det faktum, at faseovergange forekommer i disse små systemer, betyder, at forskere er bedre i stand til at studere kvanteegenskaber som sammenhæng.

Hovedforfatter Dr. Robert Nyman, fra Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Nu hvor det er bekræftet, at 'faseovergang' stadig er et nyttigt koncept i så små systemer, vi kan udforske ejendomme på måder, der ikke ville være mulige i større systemer.

"I særdeleshed, vi kan studere kvanteegenskaberne for stof og lys - hvad der sker i den mindste skala, når der sker faseovergange. "

Systemet, teamet studerede, var et Bose-Einstein-kondensat (BEC) af fotoner. BEC’er dannes, når en gas af kvantepartikler er så kolde eller så tæt på hinanden, at de ikke længere kan skelnes. En BEC er en tilstand af stof, der har meget forskellige egenskaber fra faste stoffer, væsker, gasser eller plasmaer.

Teamet fandt ud af, at ved at tilføje fotoner til systemet, en faseovergang til en BEC ville forekomme, når systemet nåede omkring syv fotoner, færre end i nogen anden BEC set før. At være så lille, overgangen var mindre pludselig end i større systemer som vandpuljer, men det faktum, at overgangen skete på et forudsigeligt tidspunkt, afspejler godt større systemer.

Systemet blev skabt med et enkelt apparat - nogle fluorescerende farvestoffer og buede spejle. Dette betyder, at det såvel som nyttigt i undersøgelsen af ​​kvanteegenskaber, systemet kunne bruges til at oprette og manipulere særlige lystilstande.

Medforfatter Dr. Florian Mintert, fra Institut for Fysik på Imperial, sagde:"Med det bedste fra to forskellige verdener - fysik i faseovergange og tilgængelighed af små systemer - har denne usædvanlige lyskilde potentielle anvendelser inden for måling eller sansning."