Fyzici pozorují novou fázi v Bose-Einsteinově kondenzátu světelných částic

Jediný „superfoton“ složený z mnoha tisíců jednotlivých světelných částic: asi před deseti lety vytvořili vědci z univerzity v Bonnu poprvé takový extrémní stav agregace a představili zcela nový světelný zdroj. Tento stát se nazývá optický Bose-Einsteinův kondenzát a od té doby přitáhl kouzlo mnoha fyziků, protože tento exotický svět světelných částic je domovem vlastních fyzikálních jevů.

Výzkumní pracovníci pod vedením prof. Dr. Martin Weitz, který objevil superfoton, a teoretický fyzik Prof.Dr. Johann Kroha se vrátil ze své poslední „expedice“ do kvantového světa s velmi zvláštním pozorováním. Hlásí nový, dosud neznámý fázový přechod v optickém Bose-Einsteinově kondenzátu. To je to, co je známé jako overdamped phase. Výsledky mohou být z dlouhodobého hlediska relevantní pro šifrovanou kvantovou komunikaci. Studie byla zveřejněna v časopise Věda.

Kondenzát Bose-Einstein je extrémní fyzický stav, který se obvykle vyskytuje pouze při velmi nízkých teplotách. Zvláštní věc: Částice v tomto systému již nejsou rozeznatelné a jsou převážně ve stejném kvantově mechanickém stavu, tj. Chovají se jako jediná obří „super částice“. Stav lze tedy popsat funkcí jedné vlny.

V roce 2010 se vědcům pod vedením Martina Weitze podařilo poprvé vyrobit kondenzát Bose-Einstein ze světelných částic (fotonů). Jejich speciální systém se používá dodnes: fyzici zachycují částice světla v rezonátoru, který se skládá ze dvou zakřivených zrcadel, která jsou od sebe vzdálena o něco více než mikrometr a odrážejí paprsek světla, který se rychle pohybuje tam a zpět. Místnost je naplněna roztokem tekutého barviva, který se používá k chlazení fotonů. K tomu dochází, když molekuly barviva „pohltí“ fotony a poté je znovu vyplivnou, čímž se světelné částice dostanou na teplotu roztoku barviva – což odpovídá teplotě místnosti. Pozadí: Systém primárně umožňuje ochlazení lehkých částic, protože jejich přirozenou vlastností je, když se ochladí, rozpouští se.

Optický mikrorezonátor naplněný roztokem barviva

Na pravé straně je objektiv mikroskopu pro pozorování a analýzu světla vycházejícího z rezonátoru. Fotografické kredity: © Gregor Hübl / Uni Bonn

Jasné oddělení dvou fází

Fázový přechod je to, co fyzici nazývají přechod mezi vodou a ledem během mrazu. Jak ale nastává konkrétní fázový přechod v systému zachycených světelných částic? Vědci to vysvětlují takto: Poněkud průsvitná zrcadla způsobují ztrátu a výměnu fotonů, což vytváří nerovnováhu, což znamená, že systém nepředpokládá určitou teplotu a je nastaven do oscilace. Tím se vytvoří přechod mezi touto oscilační fází a tlumenou fází. Tlumené znamená, že amplituda oscilace klesá.

“Pozorovaná overdamped fáze odpovídá novému stavu světelného pole,” říká hlavní autor Fahri Emre Öztürk, doktorand z Ústavu aplikované fyziky na univerzitě v Bonnu. Zvláštní vlastností je, že účinek laseru obvykle není oddělen fázovým přechodem od Bose-Einsteinova kondenzátu a mezi těmito dvěma stavy není ostře definovaná hranice. To znamená, že se fyzici mohou mezi efekty neustále pohybovat tam a zpět.

Martin Weitz

s optickým nastavením na měřícím stole Ústavu aplikované fyziky na univerzitě v Bonnu. Fotografické kredity: © Gregor Hübl / Uni Bonn

„V našem experimentu je však overdamped stav optického Bose-Einsteinova kondenzátu oddělen od oscilačního stavu i od standardního laseru fázovým přechodem,“ říká vedoucí studie Prof. Dr. Martin Weitz. “To ukazuje, že existuje Bose-Einsteinův kondenzát, který se opravdu liší od standardního laseru.” „Jinými slovy, jedná se o dvě oddělené fáze optického kondenzátu Bose-Einstein,“ říká.

Vědci plánují použít své výsledky jako základ pro další studie k hledání nových stavů světelného pole v několika kondenzovaných světelných kondenzátech, které se mohou také vyskytovat v systému. „Pokud se ve kondenzátech vázaného světla vyskytnou vhodné kvantově mechanicky zapletené stavy, může to být zajímavé pro přenos kvantově šifrovaných zpráv mezi několika účastníky,“ říká Fahri Emre Öztürk.

Nový výzkumný tým State of Light

Prof. Dr. Martin Weitz, Dr. Julian Schmitt, Dr. Frank Vewinger, Prof.Dr. Johann Kroha a Göran Hellmann z Ústavu aplikované fyziky na univerzitě v Bonnu. Fotografické kredity: © Gregor Hübl / Uni Bonn

Odkaz: „Pozorování nehermitické fázové přeměny v optickém kvantovém plynu“ Fahri Emre Öztürk, Tim Lappe, Göran Hellmann, Julian Schmitt, Jan Klaers, Frank Vewinger, Johann Kroha a Martin Weitz, 2. dubna 2021, Věda.
DOI: 10.1126 / science.abe9869

Studie byla financována z Collaborative Research Center TR 185 „OSCAR – Control of Atomic and Photonic Quantum Matter by Customized Coupling to Reservoir“ univerzit v Kaiserslauternu a Bonnu a Cluster of Excellence ML4Q na univerzitách v Kolíně nad Rýnem, Cáchách, Bonnu a Výzkumné centrum Jülich financované Německou výzkumnou nadací. Klastr excelence je zakotven v transdisciplinární oblasti výzkumu (TRA) „Stavební kameny hmoty a základní interakce“ na univerzitě v Bonnu. Studie byla navíc financována Evropskou unií v rámci projektu „PhoQuS – fotony pro kvantovou simulaci“ a německým leteckým střediskem z prostředků federálního ministerstva hospodářství a energetiky.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Líheň je otevřená, stanici zabírá 10 členů posádky

Nově přidaný personál stanice, který se skládal z 10 členů, se shromáždil v servisní jednotce Zvezda, aby uspořádali uvítací ceremoniál s rodinnými příslušníky a...

Chronické virové infekce mohou mít hluboký trvalý účinek na imunitu člověka, podobně jako stárnutí

Analýza topologie sítě funkce imunitního systému představující desítky integrovaných buněčných odpovědí, které jsou během odstraňování viru hepatitidy C u lidí obráceny. Zkoumané signální...

Byly odhaleny bizarní dýchací orgány 450 milionů let starých mořských živočichů

Zápočet: UCR Trilobité měli při dýchání jednu nohu Nová studie našla první důkazy o vysoce vyvinutých dýchacích orgánech u mořských živočichů starých 450 milionů let. ...

“Čmáranice světla” v reálném čase

Vědci z Tokijské metropolitní univerzity vyvinuli zjednodušený algoritmus pro převod volně nakreslených čar na standardním stolním procesoru na hologramy. Dramaticky snižují náklady na...

Mineralogie hluboké kůry Země pohání hotspoty pro domácí život

Tým DeMMO Field zleva doprava: Lily Mumper, Britney Kruger a Caitlin Cesar vzorky zlomenin z vrtné soupravy DeMMO. Kredit: © Matt Kapost Pod zeleným...

Newsletter

Subscribe to stay updated.