Fysikere observerer ny fase i Bose-Einstein-kondensat af lette partikler

For cirka 10 år siden, forskere ved universitetet i Bonn producerede en ekstrem aggregeret fotontilstand, en enkelt "super-foton", der består af mange tusinde individuelle lyspartikler, og præsenterede en helt ny lyskilde. Staten kaldes et optisk Bose-Einstein-kondensat og har fanget mange fysikere lige siden, fordi denne eksotiske verden af ​​lyspartikler er hjemsted for sine helt egne fysiske fænomener. Forskere ledet af prof. Dr. Martin Weitz, hvem opdagede superfotonen, og teoretisk fysiker prof. dr. Johann Kroha rapporterer nu om en ny observation:en såkaldt overdæmpet fase, en tidligere ukendt faseovergang inden for det optiske Bose-Einstein-kondensat. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Bose-Einstein-kondensatet er en ekstrem fysisk tilstand, der normalt kun forekommer ved meget lave temperaturer. Partiklerne i dette system kan ikke længere skelnes og er overvejende i samme kvantemekaniske tilstand; med andre ord, de opfører sig som en enkelt kæmpe "superpartikel". Tilstanden kan derfor beskrives ved en enkelt bølgefunktion.

I 2010 forskere ledet af Martin Weitz lykkedes for første gang at skabe et Bose-Einstein-kondensat fra lyspartikler (fotoner). Deres specielle system er stadig i brug i dag:Fysikere fanger lyspartikler i en resonator lavet af to buede spejle med en afstand på lidt over en mikrometer fra hinanden, som reflekterer en hurtigt frem- og tilbagegående lysstråle. Rummet er fyldt med en flydende farvestofopløsning, som tjener til at køle fotonerne ned. Farvestofmolekylerne "sluger" fotoner og spytter dem derefter ud igen, som bringer de lette partikler til farveopløsningens temperatur - svarende til stuetemperatur. Systemet gør det muligt at afkøle lette partikler, fordi deres naturlige egenskab er at opløses ved afkøling.

Klar adskillelse af to faser

En faseovergang er det, fysikere kalder overgangen mellem vand og is under frysning. Men hvordan sker den særlige faseovergang inden for systemet med fangede lyspartikler? Forskerne forklarer det på denne måde:De noget gennemskinnelige spejle får fotoner til at gå tabt og erstattes, skabe en ikke-ligevægt, der resulterer i, at systemet ikke antager en bestemt temperatur og sættes i svingning. Dette skaber en overgang mellem denne oscillerende fase og en dæmpet fase. Dæmpet betyder, at amplituden af ​​vibrationen falder.

"Den overdæmpede fase, vi observerede, svarer til en ny tilstand af lysfeltet, så at sige, " siger hovedforfatter Fahri Emre Öztürk, en ph.d.-studerende ved Institut for Anvendt Fysik ved Universitetet i Bonn. Det særlige kendetegn er, at effekten af ​​laseren normalt ikke er adskilt fra Bose-Einstein-kondensatets effekt ved en faseovergang, og der er ingen skarpt defineret grænse mellem de to stater. Det betyder, at fysikere løbende kan bevæge sig frem og tilbage mellem effekter.

"Imidlertid, i vores eksperiment, den overdæmpede tilstand af det optiske Bose-Einstein-kondensat adskilles ved en faseovergang fra både den oscillerende tilstand og en standardlaser, " siger studieleder prof. dr. Martin Weitz. "Dette viser, at der er et Bose-Einstein-kondensat, som virkelig er en anden tilstand end standardlaseren. "Med andre ord, vi har at gøre med to separate faser af det optiske Bose-Einstein-kondensat, " han siger.

Forskerne planlægger at bruge deres resultater som grundlag for yderligere undersøgelser for at søge efter nye tilstande i lysfeltet i multiple koblede lyskondensater, som også kan forekomme i systemet. "Hvis passende kvantemekanisk sammenfiltrede tilstande forekommer i koblede lyskondensater, dette kan være interessant til transmission af kvantekrypterede meddelelser mellem flere deltagere, " siger Fahri Emre Öztürk.