波恩大學(xué)研究人員制造出可壓縮的光量子氣體

  日前，來自德國波恩大學(xué)的研究人員制造出一種可以被極度壓縮的光量子氣體。這一發(fā)現(xiàn)為研制新型傳感器指明了方向，并提供了一個(gè)有助于在室溫下研究奇異量子相的平臺(tái)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志上。

德國波恩大學(xué)Martin Weitz研究團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室里(圖片來自波恩大學(xué))

  氣體通常由在空間中高速旋轉(zhuǎn)的原子或分子組成，并很容易被壓縮。光與氣體非常相似。光的最小組成成分是光子(即光量子)，盡管光子的行為在某些方面表現(xiàn)得像粒子，但光子也可以被視為一種不同尋常的氣體。此前，科學(xué)家通過理論預(yù)測人們能夠在特定條件下毫不費(fèi)力地壓縮光量子氣體。此次，由波恩大學(xué)應(yīng)用物理研究所(IAP)Martin Weitz教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中證明了前述理論預(yù)測，研制出能夠被極度壓縮的光量子氣體。這一成果揭示了可被高度壓縮的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的形成。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是玻色子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)的核心裝置(圖片來自波恩大學(xué))

  “為了做到這一點(diǎn)，我們把光量子儲(chǔ)存在一個(gè)用鏡子做成的小盒子里，”主要研究人員Julian Schmitt說，“我們放進(jìn)去的光子越多，光子氣體的密度就越大?！蓖ǔＧ闆r下，氣體密度越大，就越難壓縮。起初，隨著研究人員放入鏡盒的光子越多，氣體壓縮愈加困難。但在某一時(shí)間點(diǎn)上，情況突然發(fā)生了變化：一旦光子氣體超過了特定密度，研究人員就可以毫不費(fèi)力地壓縮它。

  “這種效應(yīng)源自于量子力學(xué)的規(guī)則。”Schmitt表示光粒子會(huì)表現(xiàn)出一種“模糊性”，即光子的位置變得逐漸模糊。當(dāng)光子在高密度下彼此非常接近時(shí)，就會(huì)開始重疊，因此壓縮這樣的量子簡并氣體變得很容易。 如果重疊性足夠大，光子會(huì)融合形成一種超級(jí)光子，即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。這一過程可以類比作水的結(jié)冰：在液體狀態(tài)下，水分子是無序的。但在冰點(diǎn)，冰晶會(huì)形成，最終合并成一個(gè)擴(kuò)展的、高度有序的冰層。“有序冰島”恰好在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)形成之前形成，隨著光子的進(jìn)一步增加，它們會(huì)變得越來越大。只有當(dāng)這些“冰島”有序延伸到包含光子的整個(gè)鏡盒時(shí)，凝聚態(tài)才會(huì)形成。這就好比一個(gè)湖泊，獨(dú)立的浮冰最終結(jié)合在一起，形成了一個(gè)統(tǒng)一的冰面。

  為了創(chuàng)造一種具有可變粒子數(shù)和明確溫度的氣體，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種“熱浴”方法：將分子放入鏡盒中，以吸收光子。隨后，分子釋放出新的光子，這些光子具有分子的平均溫度，略低于26.85攝氏度，相當(dāng)于室溫。這一方法將有助于科學(xué)家在室溫下研究奇異量子相。

  此外，研究團(tuán)隊(duì)還克服了另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)障礙。由于光子氣體的密度通常是不均勻的，研究人員采用一種微觀結(jié)構(gòu)的方法，利用一個(gè)平底鏡盒來捕捉光子，首次成功研制出均勻的光量子氣體。

  在將來，可極度壓縮的光量子氣體將有助于研發(fā)能夠測量微小力的新型傳感器，這項(xiàng)研究成果不僅具有技術(shù)前景，還具有重要的基礎(chǔ)研究價(jià)值。

  相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2022-03-physicists-compressible-optical-quantum-gas.html