Flydende lys viser social adfærd

Kan fotoner, lette partikler, virkelig kondensere? Og hvordan vil dette "flydende lys" opføre sig? Kondenseret lys er et eksempel på et Bose-Einstein-kondensat:Teorien har været der i 100 år, men University of Twente forskere har nu påvist effekten selv ved stuetemperatur. For det, de skabte et spejl i mikrostørrelse med kanaler, hvori fotoner faktisk flyder som en væske. I disse kanaler, fotonerne forsøger at blive sammen som gruppe ved at vælge den vej, der fører til de laveste tab, og dermed, på en måde, udvise "social adfærd". Resultaterne offentliggøres i Naturkommunikation .

Et Bose-Einstein-kondensat (BEC) er typisk en slags bølge, hvor de separate partikler ikke længere kan ses:Der er en bølge af stof, en supervæske, der typisk dannes ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Helium, for eksempel, bliver en supervæske ved disse temperaturer, med bemærkelsesværdige egenskaber. Fænomenet blev forudsagt af Albert Einstein for næsten 100 år siden, baseret på Satyendra Nath Boses arbejde; denne stoftilstand blev opkaldt efter forskerne. En type elementarpartikel, der kan danne et Bose-Einstein-kondensat, er fotonen, lyspartikelen. UT-forsker Jan Klärs og hans team udviklede en spejlstruktur med kanaler. Lys, der bevæger sig gennem kanalerne, opfører sig som en superfluid og bevæger sig også i en foretrukken retning. Ekstremt lave temperaturer er ikke påkrævet i dette tilfælde, og det virker ved stuetemperatur.

Strukturen er det velkendte Mach-Zehnder interferometer, hvor en kanal opdeles i to kanaler, og slutter sig så til igen. I sådanne interferometre, fotonernes bølgenatur manifesterer sig, hvor en foton kan være i begge kanaler på samme tid. Ved genforeningspunktet, der er nu to muligheder:Lyset kan enten tage en kanal med en lukket ende, eller en kanal med en åben ende. Jan Klärs og hans team fandt ud af, at væsken selv bestemmer, hvilken vej den skal gå ved at justere dens oscillationsfrekvens. I dette tilfælde, fotonerne forsøger at blive sammen ved at vælge den vej, der fører til de laveste tab – kanalen med den lukkede ende. Man kunne kalde det "social adfærd, " ifølge forsker Klärs. Andre typer bosoner, som fermioner, foretrækker at blive adskilt.

Spejlstrukturen minder lidt om laserens, hvor lyset reflekteres frem og tilbage mellem to spejle. Den største forskel ligger i den ekstremt høje refleksion af spejlene:99,9985 procent. Denne værdi er så høj, at fotoner ikke får chancen for at undslippe; de vil blive absorberet igen. Det er på dette stadion, at fotongassen begynder at tage samme temperatur som stuetemperatur via termalisering. Teknisk set, det ligner da strålingen fra et sort legeme:Stråling er i ligevægt med stof. Denne termalisering er den afgørende forskel mellem en normal laser og et Bose-Einstein-kondensat af fotoner.

I superledende enheder, hvor den elektriske modstand bliver nul, Bose-Einstein kondensater spiller en stor rolle. De fotoniske mikrostrukturer, der nu præsenteres, kunne bruges som grundlæggende enheder i et system, der løser matematiske problemer som Traveling Salesman-problemet. Men først og fremmest papiret viser indsigt i endnu en bemærkelsesværdig egenskab ved lys.