Новое состояние света

Одиночный «суперфотон», состоящий из многих тысяч отдельных световых частиц: около десяти лет назад исследователи из Боннского университета впервые получили такое экстремальное агрегатное состояние и представили совершенно новый источник света. Это состояние называется оптическим конденсатом Бозе-Эйнштейна и с тех пор привлекает внимание многих физиков, потому что этот экзотический мир легких частиц является домом для своих собственных физических явлений.

Исследователи под руководством профессора доктора Мартина Вайца, открывшего суперфотон, и физика-теоретика профессора доктора Иоганна Кроха вернулись из своей последней «экспедиции» в квантовый мир с очень особенным наблюдением. Они сообщают о новом, ранее неизвестном фазовом переходе в оптическом конденсате Бозе-Эйнштейна. Это так называемая сверхдемпфированная фаза. Результаты могут в долгосрочной перспективе иметь значение для зашифрованной квантовой связи. Исследование опубликовано в журнале Science.

Конденсат Бозе-Эйнштейна — это экстремальное физическое состояние, которое обычно возникает только при очень низких температурах. Что особенного: частицы в этой системе больше не различимы и преимущественно находятся в одном квантовомеханическом состоянии, другими словами, они ведут себя как одна гигантская «суперчастица». Таким образом, состояние можно описать одной волновой функцией.

В 2010 году исследователям под руководством Мартина Вайца впервые удалось создать конденсат Бозе-Эйнштейна из легких частиц (фотонов). Их специальная система используется до сих пор: физики улавливают световые частицы в резонаторе, состоящем из двух изогнутых зеркал, расположенных на расстоянии чуть более микрометра друг от друга, которые отражают быстро возвратно-поступательный луч света. Пространство заполнено жидким раствором красителя, который охлаждает фотоны. Это достигается за счет того, что молекулы красителя «проглатывают» фотоны, а затем снова их выплевывают, что доводит легкие частицы до температуры раствора красителя, что эквивалентно комнатной температуре. Предпосылки: Система позволяет охлаждать легкие частицы, прежде всего, потому что их естественная особенность — растворяться при охлаждении.

Четкое разделение двух фаз

Фазовый переход — это то, что физики называют переходом между водой и льдом при замерзании. Но как именно этот фазовый переход происходит в системе захваченных легких частиц? Ученые объясняют это так: несколько полупрозрачные зеркала вызывают потерю и замену фотонов, создавая неравновесие, которое приводит к тому, что система не принимает определенную температуру и начинает колебаться. Это создает переход между этой колеблющейся фазой и затухающей фазой. Затухание означает, что амплитуда вибрации уменьшается.

«Наблюдаемая нами сверхзатухающая фаза соответствует новому состоянию светового поля, так сказать», — говорит ведущий автор Фахри Эмре Озтюрк, докторант Института прикладной физики Боннского университета. Особенностью является то, что действие лазера обычно не отделяется от эффекта конденсата Бозе-Эйнштейна фазовым переходом, и между этими двумя состояниями нет четко определенной границы. Это означает, что физики могут постоянно переключаться между эффектами.

«Однако в нашем эксперименте сверхзатухающее состояние оптического конденсата Бозе-Эйнштейна отделено фазовым переходом как от колебательного состояния, так и от стандартного лазера», — говорит руководитель исследования профессор доктор Мартин Вайц. «Это показывает, что существует конденсат Бозе-Эйнштейна, который на самом деле является другим состоянием, чем стандартный лазер.« Другими словами, мы имеем дело с двумя отдельными фазами оптического конденсата Бозе-Эйнштейна », — подчеркивает он.

Исследователи планируют использовать свои результаты в качестве основы для дальнейших исследований по поиску новых состояний светового поля в множественных связанных световых конденсатах, которые также могут возникать в системе. «Если подходящие квантово-механически запутанные состояния возникают в связанных легких конденсатах, это может быть интересно для передачи квантово-зашифрованных сообщений между несколькими участниками», — говорит Фахри Эмре Озтюрк.

Фахри Эмре Озтюрк, Тим Лаппе, Йоран Хельманн, Юлиан Шмитт, Ян Клаерс, Франк Вевингер, Иоганн Кроха, Мартин Вайц. Наблюдение неэрмитова фазового перехода в оптическом квантовом газе . Наука , 2021 год; 372 (6537): 88 DOI: 10.1126 / science.abe9869