Fysikere skaber komprimerbar optisk kvantegas

Forskere ved universitetet i Bonn har skabt en gas af lette partikler, der kan komprimeres ekstremt. Deres resultater bekræfter forudsigelserne fra centrale teorier om kvantefysik. Resultaterne kunne også pege på nye typer sensorer, der kan måle minutkræfter. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Science .

Hvis du sætter stikket i en luftpumpe med fingeren, kan du stadig skubbe dens stempel ned. Årsagen:Gasser er ret nemme at komprimere - i modsætning til for eksempel væsker. Hvis pumpen indeholdt vand i stedet for luft, ville det i det væsentlige være umuligt at flytte stemplet, selv med den største indsats.

Gasser består normalt af atomer eller molekyler, der hvirvler mere eller mindre hurtigt gennem rummet. Det er ret ens med lys:Dens mindste byggesten er fotoner, som i en vis henseende opfører sig som partikler. Og disse fotoner kan også behandles som en gas, dog en, der opfører sig noget usædvanligt:​​Du kan komprimere den under visse forhold næsten uden anstrengelse. Det er i hvert fald, hvad teorien forudsiger.

Fotoner i spejlboksen

Forskere fra Institute of Applied Physics (IAP) ved universitetet i Bonn har nu påvist netop denne effekt i eksperimenter for første gang. "For at gøre dette opbevarede vi lyspartikler i en lille kasse lavet af spejle," forklarer Dr. Julian Schmitt fra IAP, som er hovedforsker i gruppen af ​​prof. Dr. Martin Weitz. "Jo flere fotoner vi sætter ind der, jo tættere blev fotongassen."

Reglen er normalt som følger:Jo tættere en gas er, jo sværere er den at komprimere. Dette er også tilfældet med den tilstoppede luftpumpe - i starten kan stemplet skubbes meget let ned, men på et tidspunkt kan det næsten ikke flyttes længere, selv når der bruges meget kraft. Bonn-eksperimenterne lignede oprindeligt:​​Jo flere fotoner de satte ind i spejlboksen, jo sværere blev det at komprimere gassen.

Men adfærden ændrede sig brat på et vist tidspunkt:Så snart fotongassen overskred en bestemt tæthed, kunne den pludselig blive komprimeret næsten uden modstand. "Denne effekt stammer fra kvantemekanikkens regler," forklarer Schmitt, der også er associeret medlem af Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" og projektleder i Transregio Collaborative Research Center 185. Årsagen:Lyset partikler udviser en "uklarhed" - i enkle vendinger er deres placering noget sløret. Da de kommer meget tæt på hinanden ved høje tætheder, begynder fotonerne at overlappe hinanden. Fysikere taler da også om en "kvantedegeneration" af gassen. Og det bliver meget nemmere at komprimere sådan en kvantedegenereret gas.

Selvorganiserede fotoner

Hvis overlapningen er stærk nok, smelter lyspartiklerne sammen og danner en slags superfoton, et Bose-Einstein-kondensat. Meget forenklet kan denne proces sammenlignes med frysning af vand:I flydende tilstand er vandmolekylerne uordnede; så dannes ved frysepunktet de første iskrystaller, som til sidst smelter sammen til et udvidet, højt ordnet islag. "Ordensøer" dannes også lige før dannelsen af ​​Bose-Einstein-kondensatet, og de bliver større og større med yderligere tilføjelse af fotoner.

Kondensatet dannes først, når disse øer er vokset så meget, at rækkefølgen strækker sig over hele spejlkassen, der indeholder fotonerne. Dette kan sammenlignes med en sø, hvor uafhængige isflager endelig er gået sammen for at danne en ensartet overflade. Dette kræver naturligvis et meget større antal lette partikler i en udvidet kasse sammenlignet med en lille. "Vi var i stand til at demonstrere denne sammenhæng i vores eksperimenter," påpeger Schmitt.

For at skabe en gas med variabelt partikelantal og veldefineret temperatur bruger forskerne et "varmebad":"Vi indsætter molekyler i spejlboksen, som kan absorbere fotonerne," forklarer Schmitt. "Efterfølgende udsender de nye fotoner, der i gennemsnit besidder temperaturen af ​​molekylerne - i vores tilfælde lige under 300 Kelvin, hvilket svarer til stuetemperatur."

Forskerne måtte også overvinde en anden hindring:Fotongasser er normalt ikke ensartet tætte - der er langt flere partikler nogle steder end andre. Det skyldes formen på fælden, som de normalt er indeholdt i. "Vi tog en anden tilgang i vores eksperimenter," siger Erik Busley, førsteforfatter til publikationen. "Vi fanger fotonerne i en fladbundet spejlboks, som vi skabte ved hjælp af en mikrostruktureringsmetode. Dette gjorde det muligt for os at skabe en homogen kvantegas af fotoner for første gang."

I fremtiden vil den kvanteforstærkede kompressibilitet af gassen muliggøre forskning i nye sensorer, der kan måle små kræfter. Udover teknologiske perspektiver er resultaterne også af stor interesse for grundforskning. + Udforsk yderligere

Fysikere opdeler irreversibelt fotoner ved at fryse dem i et Bose-Einstein-kondensat