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科学家研制可极度压缩光量子气体

为开发高灵敏度传感器铺平道路

稿件来源:科技日报 张佳欣 责任编辑:ICAC 发布时间:2022-03-28

  德国波恩大学的研究人员研制了一种可以极度压缩的光量子气体。他们的结果证实了量子物理核心理论的预测。这些发现还将为可测量微小的力的新型传感器指明方向。这项研究近日发表在《科学》杂志上。

  气体通常由在空中快速旋转的原子或分子组成,它与光非常相似。组成光的最基本的粒子就是光量子,简称光子。在某些方面,光子的行为类似于粒子。这些光子也可以被视为一种气体,但是,它的行为有些不同寻常:至少在理论上,我们可以在特定条件下几乎不费力气地压缩它。

  波恩大学应用物理研究所(IAP)的研究人员现在首次在实验中证明了这种效果。IAP的朱利安·施密特博士解释说:“为了做到这一点,我们将光量子储存在一个由镜子制成的小盒子里。里面放的光子越多,光子气体的密度就越大。”

  通常的情况是:气体密度越大,就越难压缩。堵塞的气泵也是如此:起初活塞可以很容易地被往下推,但到一定程度,即使施加很大的力,它也很难再进一步移动。

  然而,此次实验发现,这种情况在某个时间点上突然发生了变化:一旦光子气体超过了特定的密度,它就可以突然被压缩,几乎没有阻力。施密特解释说,这种效应源于量子力学的规则。原因是这些光量子表现出一种“模糊性”,即它们的位置有点模糊。当它们在高密度下彼此非常接近时,光子开始重叠,压缩这样的量子简并态气体变得容易得多。

  如果重叠足够多,光子会融合形成一种超级光子,即玻色—爱因斯坦凝聚态。简而言之,这个过程可以比作水的冻结:在液体状态下,水分子是无序的;而在冰点,则会有冰晶形成,最终无数冰晶合并成延伸的、高度有序的冰层。“有序冰岛”也是在玻色—爱因斯坦凝聚体形成之前形成的,随着光子的进一步增加,它们会变得越来越大。

  只有当这些“岛”扩大并有序延伸到包含光子的整个镜盒时,凝聚态才会形成。这可以比作一个湖,在这个湖上,独立的漂浮冰岛最终结合在一起形成了一个统一均匀的表面。

  为了创造一种具有可变粒子数和明确温度的气体,研究人员使用了“热浴”:将分子插入镜盒中,以吸收光子。随后,它们发出新的光子,这些光子的温度略低于300开尔文(26.85摄氏度),大约是室温温度。

  光子气体的密度通常不均匀,某些地方的粒子比其他地方多得多。为了克服这一障碍,研究人员在一个平底镜盒中捕捉光子,从而首次创造出均匀的光子气体。

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