Группа ученых сгруппировала фотоны таким образом, что они образовали структуру, сравнимую во многих отношениях с газом, состоящим из вещества. Команда Джулиана Шмитта из Института прикладной физики (ИПФ) Боннского университета в Германии впервые продемонстрировала этот эффект в экспериментах.
Если вы закроете выпускное отверстие воздушного насоса пальцем, поршень все еще можно протолкнуть вниз, это указывает на то, что для небольшого сжатия газа, находящегося при нормальном атмосферном давлении, требуется небольшое усилие; человек может сделать это без какой-либо помощи, кроме собственной физической силы.
Если бы в насосе вместо воздуха была вода, то было бы практически невозможно сдвинуть поршень даже с величайшим усилием. Сжатие жидкости требует гораздо больших усилий и особых условий.
Газы обычно состоят из атомов или молекул, которые более или менее быстро вращаются в пространстве. То же самое происходит и со светом: его мельчайшими компонентами являются фотоны.
«Для этого мы храним частицы света в небольшой коробке, сделанной из зеркал», объясняет доктор Джулиан Шмитт из ИПФ, который является главным исследователем в группе профессора доктора Мартина Вайца. «Чем больше фотонов мы туда помещали, тем плотнее становился фотонный газ».
Фотоны — частицы света, ведут себя как атомы или молекулы газа. И эти фотоны тоже можно рассматривать как газ, хотя их поведение может быть весьма необычным: при определенных условиях фотонный газ можно сжимать без особых усилий. До сих пор это была просто недоказанная теория.
Сначала физической силы человека достаточно, чтобы легко сжать газ, но наступает момент, когда сжать больше становится очень трудно, даже с большим усилием.
То, что происходило в экспериментах, проведенных командой Шмитта, было изначально схожим: чем больше фотонов исследователи вводили в зеркальный ящик, тем труднее было сжать фотонный газ.
Однако в какой-то момент поведение фотонного газа резко изменилось: как только плотность фотонного газа превысил определенный порог, он мог внезапно сжаться намного сильнее, практически не оказывая сопротивления. Этот эффект следует из правил квантовой механики. Причина в том, что легкие частицы имеют «рассеянное расположение». Когда они подходят очень близко друг к другу при высокой плотности, фотоны начинают перекрываться.
То, что происходит при этом, можно описать как квантовое вырождение фотонного газа. И становится намного легче сжимать газ, когда он находится в состоянии квантового вырождения. Если перекрытие достаточно сильное, частицы света сливаются, образуя своего рода суперфотон, эквивалент бозе-эйнштейновского конденсата в материи.
Чтобы создать газ с переменным числом частиц и четко определенной температурой, исследователи используют «тепловую баню»: «Мы помещаем в зеркальный ящик молекулы, которые могут поглощать фотоны», объясняет Шмитт. «Затем они испускают новые фотоны, которые в среднем имеют температуру молекул, в нашем случае чуть меньше 300 Кельвинов, что примерно соответствует комнатной температуре».
Исследователям также пришлось преодолеть еще одно препятствие: фотонные газы обычно не имеют однородной плотности: в одних местах частиц гораздо больше, чем в других. Это связано с формой ловушки, в которой они обычно содержатся.
«В наших экспериментах мы использовали другой подход», говорит Эрик Басли, первый автор публикации. «Мы захватили фотоны в зеркальном ящике с плоским дном, который мы создали с помощью метода микроструктурирования. Это позволило нам впервые создать однородный квантовый газ из фотонов».
В будущем квантовая сжимаемость газа позволит исследовать новые датчики, которые смогут измерять крошечные силы. Помимо технологических перспектив, полученные результаты представляют большой интерес и для фундаментальных исследований.
Результаты, полученные в этом исследовании, подтверждают предсказания основных теорий квантовой физики.
Шмитт и его коллеги представляют технические подробности своих открытий в академическом журнале Science под заголовком «Сжимаемость и уравнение состояния оптического квантового газа в ящике».
Исследование: doi.org/10.1126/science.abm2543
