此次實(shí)驗(yàn)的核心：光學(xué)微諧振器實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦的“光子盒”。圖片來源：Volker Lannert/波恩大學(xué)
科技日報(bào)實(shí)習(xí)記者 張佳欣
德國波恩大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種可以極度壓縮的光量子氣體。他們的結(jié)果證實(shí)了量子物理核心理論的預(yù)測。這些發(fā)現(xiàn)還將為可測量微小的力的新型傳感器指明方向。這項(xiàng)研究近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
氣體通常由在空中快速旋轉(zhuǎn)的原子或分子組成，它與光非常相似。組成光的最基本的粒子就是光量子，簡稱光子。在某些方面，光子的行為類似于粒子。這些光子也可以被視為一種氣體，但是，它的行為有些不同尋常：至少在理論上，我們可以在特定條件下幾乎不費(fèi)力氣地壓縮它。
波恩大學(xué)應(yīng)用物理研究所(IAP)的研究人員現(xiàn)在首次在實(shí)驗(yàn)中證明了這種效果。IAP的朱利安·施密特博士解釋說：“為了做到這一點(diǎn)，我們將光量子儲存在一個由鏡子制成的小盒子里。里面放的光子越多，光子氣體的密度就越大。”
通常的情況是：氣體密度越大，就越難壓縮。堵塞的氣泵也是如此：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，它也很難再進(jìn)一步移動。
然而，此次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種情況在某個時間點(diǎn)上突然發(fā)生了變化：一旦光子氣體超過了特定的密度，它就可以突然被壓縮，幾乎沒有阻力。施密特解釋說，這種效應(yīng)源于量子力學(xué)的規(guī)則。原因是這些光量子表現(xiàn)出一種“模糊性”，即它們的位置有點(diǎn)模糊。當(dāng)它們在高密度下彼此非常接近時，光子開始重疊，壓縮這樣的量子簡并態(tài)氣體變得容易得多。
如果重疊足夠多，光子會融合形成一種超級光子，即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。簡而言之，這個過程可以比作水的凍結(jié)：在液體狀態(tài)下，水分子是無序的；而在冰點(diǎn)，則會有冰晶形成，最終無數(shù)冰晶合并成延伸的、高度有序的冰層。“有序冰島”也是在玻色-愛因斯坦凝聚體形成之前形成的，隨著光子的進(jìn)一步增加，它們會變得越來越大。
只有當(dāng)這些“島”擴(kuò)大并有序延伸到包含光子的整個鏡盒時，凝聚態(tài)才會形成。這可以比作一個湖，在這個湖上，獨(dú)立的漂浮冰島最終結(jié)合在一起形成了一個統(tǒng)一均勻的表面。
為了創(chuàng)造一種具有可變粒子數(shù)和明確溫度的氣體，研究人員使用了“熱浴”：將分子插入鏡盒中，以吸收光子。隨后，它們發(fā)出新的光子，這些光子的溫度略低于300開爾文（26.85攝氏度），大約是室溫溫度。
光子氣體的密度通常不均勻，某些地方的粒子比其他地方多得多。為了克服這一障礙，研究人員在一個平底鏡盒中捕捉光子，從而首次創(chuàng)造出均勻的光子氣體。
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