2024-06-29 21:54 来源：本站编辑
艺术家的观点，光子玻色-爱因斯坦凝聚(黄色)在染料分子(红色)浴中，被外部光源(白色闪光)扰动。资料来源:A.英格利斯/弗莱堡阿尔伯特-路德维希大学
波恩大学的研究人员已经证明了这一点证明了超光子，或光子玻色-爱因斯坦凝聚遵循基本的物理定理，使人们能够深入了解通常难以观察到的特性。
在合适的条件下，数千个光粒子可以融合成一种“超级光子”。物理学家称这种状态为光子玻色-爱因斯坦凝聚。波恩大学的研究人员现在已经证明，这种奇异的量子态遵循物理学的基本定理。这一发现现在允许人们测量光子玻色-爱因斯坦凝聚物的性质，而这通常是很难获得的。这项研究发表在6月3日的《自然通讯》杂志上。
如果许多原子被冷却到一个非常低的温度，限制在一个小体积内，它们就会变得难以区分，表现得像一个单一的“超级粒子”。物理学家也称其为玻色-爱因斯坦凝聚物或量子气体。光子的凝聚基于类似的原理，并且可以使用染料分子进行冷却。这些分子就像小冰箱一样，吞下“热”的光粒子，然后在合适的温度下再把它们吐出来。
“在我们的实验中，我们用染料溶液装满了一个小容器，”波恩大学应用物理研究所的朱利安·施密特博士解释说。“集装箱的墙壁反光很强。”然后研究人员用激光激发染料分子。这就产生了在反射表面之间来回反弹的光子。当光粒子与染料分子反复碰撞时，它们冷却下来，最终凝聚成量子气体。
然而，这个过程之后仍在继续，超级光子的粒子反复与染料分子碰撞，在再次被吐出之前被吞噬。因此，量子气体有时含有更多的光子，有时含有更少的光子，使其像蜡烛一样闪烁。“我们用这种闪烁来研究一个重要的物理定理在量子气体系统中是否有效，”施密特说。
这个所谓的“回归定理”可以用一个简单的类比来说明:让我们假设超级光子是一堆篝火，有时会随机地非常强烈地燃烧起来。当火焰特别明亮后，火焰慢慢熄灭，火恢复到原来的状态。有趣的是，人们也可以通过向余烬中吹气来故意使火燃烧起来。简单地说，回归定理预测火灾将以同样的方式继续燃烧，就好像火灾是随机发生的一样。这意味着它对扰动的响应方式与它在没有任何扰动的情况下自行波动的方式完全相同。
把空气吹进光子火焰
“我们想知道这种行为是否也适用于量子气体，”Schmitt解释说，他也是波恩大学跨学科研究领域(TRA)“物质的构建块”和“量子计算的物质和光”卓越集群的成员。为此，研究人员首先测量了超级光子的闪烁，以量化统计波动。然后，他们——形象地说——通过短暂地向超级光子发射另一束激光，将空气吹入火中。这种扰动使它在缓慢地恢复到初始状态之前短暂地爆发。
“我们能够观察到，对这种温和扰动的反应与没有扰动的随机波动遵循完全相同的动力学，”这位物理学家说。“通过这种方式，我们首次证明了这一定理也适用于量子气体等奇异形式的物质。”有趣的是，强扰动也是如此。系统通常对较强的扰动和较弱的扰动做出不同的反应——一个极端的例子是一层冰，当施加在它上面的负荷变得太重时，它会突然破裂。“这被称为非线性行为，”施密特说。“然而，这个定理在这些情况下仍然有效，正如我们现在能够与安特卫普大学的同事一起证明的那样。”
这些发现与光子量子气体的基础研究有着巨大的相关性，因为人们通常不知道它们在亮度上是如何闪烁的。确定超级光子对受控扰动的反应要容易得多。“这使我们能够在非常受控的条件下了解未知的特性，”施密特解释说。“例如，它将使我们能够发现由许多超级光子组成的新型光子材料在其核心处的行为。”
参考文献:Alexander Sazhin, Vladimir N. Gladilin, Andris Erglis, Göran Hellmann, Frank Vewinger, Martin Weitz, michael Wouters和Julian Schmitt的“光子波色-爱因斯坦凝聚体中的非线性响应和onsager回归的观测”，2024年6月3日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 49064 - 9
波恩大学应用物理研究所、安特卫普大学(比利时)和弗赖堡大学参与了这项研究。该项目得到了德国研究基金会(DFG)、欧盟(ERC启动基金)、德国航空航天中心(DLR)和比利时资助机构two Flanders的支持。
