波恩大學(xué)研究人員制造出可壓縮的光量子氣體

  日前，來(lái)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。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研究團隊成員在實(shí)驗室里(圖片來(lái)自波恩大學(xué))

  氣體通常由在空間中高速旋轉的原子或分子組成，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(guò)理論預測人們能夠在特定條件下毫不費力地壓縮光量子氣體。此次，由波恩大學(xué)應用物理研究所(IAP)Martin Weitz教授帶領(lǐng)的研究團隊首次在實(shí)驗中證明了前述理論預測，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(ài)因斯坦凝聚態(tài)的形成。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)。

實(shí)驗的核心裝置(圖片來(lái)自波恩大學(xué))

  “為了做到這一點(diǎn)，我們把光量子儲存在一個(gè)用鏡子做成的小盒子里，”主要研究人員Julian Schmitt說(shuō)，“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(zhù)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(guò)了特定密度，研究人員就可以毫不費力地壓縮它。

  “這種效應源自于量子力學(xué)的規則?！盨chmitt表示光粒子會(huì )表現出一種“模糊性”，即光子的位置變得逐漸模糊。當光子在高密度下彼此非常接近時(shí)，就會(huì )開(kāi)始重疊，因此壓縮這樣的量子簡(jiǎn)并氣體變得很容易。 如果重疊性足夠大，光子會(huì )融合形成一種超級光子，即玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。這一過(guò)程可以類(lèi)比作水的結冰：在液體狀態(tài)下，水分子是無(wú)序的。但在冰點(diǎn)，冰晶會(huì )形成，最終合并成一個(gè)擴展的、高度有序的冰層?！坝行虮鶏u”恰好在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)形成之前形成，隨著(zhù)光子的進(jìn)一步增加，它們會(huì )變得越來(lái)越大。只有當這些“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，獨立的浮冰最終結合在一起，形成了一個(gè)統一的冰面。

  為了創(chuàng )造一種具有可變粒子數和明確溫度的氣體，研究團隊使用了一種“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，研究團隊還克服了另一項實(shí)驗障礙。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(guān)結構的方法，利用一個(gè)平底鏡盒來(lái)捕捉光子，首次成功研制出均勻的光量子氣體。

  在將來(lái)，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，這項研究成果不僅具有技術(shù)前景，還具有重要的基礎研究?jì)r(jià)值。

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