物理学家将光转化为具有极其奇怪特性的一维气体

当你将光光子冷却到绝对零时，事情就会变得非常奇怪。

研究人员将光线捕获到一条狭窄的抛物线中。

图片来源：IAP/波恩大学

一组物理学家利用光创造了一种一维气体，研究这种奇怪物质状态的奇怪特性。

当你将某些粒子冷却到接近绝对零时，一些非常有趣的事情就会开始发生。特别是，可以形成一种称为“玻色·爱因斯坦凝聚”（BEC）的物质，这是阿尔伯特·爱因斯坦根据理论物理学家萨蒂延德拉·纳特·玻色的工作首先假设的一种物质状态。当玻色子气体（具有整数自旋的亚原子力携带粒子）冷却到接近绝对零的温度时，它们形成单个量子物体，通常将其与单个原子进行比较。

“BEC 的波函数对应于宏观量子物体的基态，”一篇关于该主题的论文解释道。 “换句话来说，BEC 中的原子集合表现为单个量子实体。”

在这种奇怪的新物质状态（1995 年首次在现实世界中创建）中，您可以宏观地了解量子行为。

它有很多奇怪的特性，包括零粘度。你把一些这种东西放在玻璃杯里，它会爬到玻璃杯的一侧。它们可以维持可用于创建模拟黑洞的漩涡，并以类似于超新星（称为博塞新星）的方式爆炸。你为什么想研究这些东西是很清楚的。

您可以用任何遵循 Bose Einstein 统计数据的东西创建 BEC。对于玻色子（具有整数自旋的亚原子粒子）来说，这更容易，尽管您也可以使用费米子对（称为库珀对）来创建它，其中半自旋加起来为整数，从而允许费米子占据相同的量子态。 

光子，上帝保佑它们，遵循玻色爱因斯坦统计数据，因此可以转变为 BEC，无需任何复杂的配对。在这项新研究中，来自德国波恩大学和凯泽斯劳滕-兰道大学的一个团队就做到了这一点，尽管在一维和二维中产生凝聚态增加了复杂性。

应用物理研究所的弗兰克·维温格博士在一份声明中解释说：“为了制造这些类型的气体，我们需要将大量光子集中在有限的空间中，并同时冷却它们。”

为此，研究小组在一个微型反光容器中填充了染料溶液，然后用激光激发染料溶液。由于无处可去，光子从墙壁上反弹，直到与染料分子碰撞。正是这些碰撞冷却了光子，直到最终光子气体凝结。

团队如何在之前的实验中利用光创建玻色-爱因斯坦凝聚态。

通过改变容器的表面，研究小组能够将冷却的光子捕获到一维或二维。

凯泽斯劳滕-兰道大学的朱利安·舒尔茨解释说：“我们能够在反射表面上应用透明聚合物，以形成微观的小突起。” “这些突起使我们能够在一维或二维中捕获光子并将它们凝聚。 ”

“这些聚合物的作用就像一种排水沟，但在这种情况下是为了光，”主要作者 Kirankumar Karkihalli Umesh 补充道。 “这个沟槽越窄，气体的行为就越一维。 ”

虽然常规二维 BEC 本身就足够有趣，但该团队能够研究一维（本质上是挤进一个小点）和二维的气体，以及两个维度之间的过渡。 

维温格解释说：“当我们创造一维气体而不是二维气体时，情况有点不同。所谓的热波动发生在光子气体中，但它们在二维中是如此之小，以至于它们没有真正的热波动。”然而，从一个维度来说，这些波动可以产生巨大的影响。”

这些一维温度波动意味着整个 BEC 的行为并不相同，不同区域的行为也不同，就像简并量子气体一样。

“我们现在首次能够研究从二维光子气体转变为一维光子气体时的这种行为，”维温格补充道。 

研究小组发现，虽然二维 BEC 发生在接近绝对零的特定温度下——就像水在 0°C (32°F) 下转变为冰一样——但一维光子气体并没有精确的凝结点。 

虽然很有趣，并且具有量子光学效应的潜在应用，但对一维凝聚态的研究仍处于早期阶段，该团队希望在未来的研究中进一步探索。

该研究发表在《自然物理学》上。