Naukowcy opracowali jednowymiarowy gaz świetlny, umożliwiający badanie efektów kwantowych i zachowania foton gazy w różnych wymiarach.
Wykorzystując roztwór barwnika i fotony indukowane laserem, zbadali, w jaki sposób gazy fotonowe kondensują i reagują na zmiany wymiarowe, stwierdzając, że jednowymiarowe gazy wykazują wyjątkowe fluktuacje i brakuje im wyraźnego punktu kondensacji, co może prowadzić do postępu w zastosowaniach optyki kwantowej.
Jednowymiarowy gaz lekki
Wyobraź sobie, że stoisz przy basenie i wpadasz na pomysł napełnienia go jeszcze większą ilością wody. Chwytasz wąż ogrodowy i używasz go do wytworzenia strumienia wody, który zakrzywia się w wysokim łuku i opada na powierzchnię basenu. Poziom wody podnosi się na krótko w miejscu, w którym strumień wody uderza w basen, ale ta zmiana poziomu wody jest tylko minimalna, ponieważ spadająca woda szybko rozprowadza się po całej powierzchni wody.
Efekt jest jednak inny, jeśli napełnisz rynnę strumieniem wody. Strumień tworzy falę wody w miejscu, w które kierujesz wąż. Dzieje się tak dlatego, że ścianki rynny sprawiają, że woda nie może spływać po powierzchni, lecz może być rozprowadzana jedynie w kierunku rynny. Im węższa rynna, tym większa amplituda fali i tym samym staje się ona „bardziej jednowymiarowa”.
Tworzenie gazów z lekkich cząstek
Fizycy z Instytutu Fizyki Stosowanej (IAP) na Uniwersytecie w Bonn we współpracy z kolegami z RPTU zbadali obecnie, czy podobne efekty wymiarowości można uzyskać również w przypadku gazów składających się z lekkich cząstek.
„Aby wytworzyć tego typu gazy, musimy skoncentrować wiele fotonów w ograniczonej przestrzeni i jednocześnie je ochłodzić” – wyjaśnia dr Frank Vewinger z IAP, który jest także członkiem transdyscyplinarnego obszaru badawczego „Materia” na Uniwersytecie z Bonn.
Eksperymenty z gazami fotonowymi
W swoim eksperymencie naukowcy napełnili niewielki pojemnik roztworem barwnika i wzbudzili go za pomocą lasera. Powstałe fotony odbijały się tam i z powrotem pomiędzy odblaskowymi ścianami pojemnika. Ilekroć zderzały się z cząsteczką barwnika, były schładzane, aż ostatecznie gaz fotonowy uległ skropleniu.
Na wymiar gazu można wpływać modyfikując powierzchnię powierzchni odbijających. Naukowcy z IAP współpracowali przy tym badaniu z grupą badawczą kierowaną przez prof. dr Georga von Freymanna z RPTU. Dostosowano metodę strukturyzacji o wysokiej rozdzielczości, aby można ją było zastosować na potrzeby tego eksperymentu na odblaskowych powierzchniach pojemnika fotonowego. „Udało nam się nałożyć przezroczysty polimer na odblaskowe powierzchnie, aby utworzyć mikroskopijnie małe wypukłości” – wyjaśnia Julian Schulz z RPTU. „Te występy pozwalają nam uwięzić fotony w jednym lub dwóch wymiarach i skondensować je”.
„Te polimery działają jak rynna, ale w tym przypadku na światło” – mówi Kirankumar Karkihalli Umesh, główny autor badania. „Im węższa jest ta rynna, tym bardziej jednowymiarowo zachowuje się gaz”.
Fluktuacje kwantowe w układach jednowymiarowych
W dwóch wymiarach istnieje precyzyjna granica temperatury, w której następuje kondensacja – podobnie jak woda zamarza przy dokładnie zerowej temperaturze Celsjusz. Fizycy nazywają to przejściem fazowym. „Jednak sytuacja wygląda nieco inaczej, gdy tworzymy gaz jednowymiarowy zamiast dwuwymiarowego” – mówi Vewinger. „W gazach fotonowych zachodzą tak zwane fluktuacje termiczne, ale w dwóch wymiarach są one tak małe, że nie mają rzeczywistego wpływu. Jednak w jednym wymiarze te wahania mogą – mówiąc w przenośni – wywołać duże fale”.
Fluktuacje te niszczą porządek układów jednowymiarowych, w wyniku czego różne obszary gazu nie zachowują się już tak samo. W rezultacie przejście fazowe, które wciąż jest dokładnie określone w dwóch wymiarach, staje się coraz bardziej „rozmazane”, im bardziej jednowymiarowy staje się układ. Jednak jego właściwościami nadal rządzi fizyka kwantowa, podobnie jak w przypadku gazów dwuwymiarowych, a tego typu gazy nazywane są zdegenerowanymi gazami kwantowymi. To tak, jakby woda w niskich temperaturach zamieniała się w lodowatą wodę, nigdy nie zamarzając całkowicie podczas schładzania. „Teraz po raz pierwszy mogliśmy zbadać to zachowanie podczas przejścia z dwuwymiarowego do jednowymiarowego gazu fotonowego” – wyjaśnia Vewinger.
Wnioski i przyszłe badania
Grupom badawczym udało się wykazać, że jednowymiarowe gazy fotonowe w rzeczywistości nie mają dokładnej temperatury kondensacji. Dokonując drobnych zmian w strukturach polimerów, możliwe będzie teraz bardzo szczegółowe badanie zjawisk zachodzących przy przejściu między różnymi wymiarami. Obecnie uważa się to nadal za badania podstawowe, ale możliwe jest, że otworzą nowe obszary zastosowań kwantowych efektów optycznych.
Odniesienie: „Dimensional crossover in a Quantum Gas of Light” autorstwa Kirankumara Karkihalli Umesha, Juliana Schulza, Juliana Schmitta, Martina Weitza, Georga von Freymanna i Franka Vewingera, 6 września 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02641-7
W badaniu wzięły udział następujące instytucje: IAP na Uniwersytecie w Bonn, Instytut Matematyki Przemysłowej im. Fraunhofera (ITWM) w Kaiserslautern oraz Uniwersytet w Kaiserslautern-Landau (RPTU). Badanie zostało sfinansowane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) Unii Europejskiej i Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) w ramach Collaborative Research Center TRR 185.
