Un singur „super foton” alcătuit din multe mii de particule de lumină individuale: în urmă cu aproximativ zece ani, cercetătorii de la Universitatea din Bonn au produs pentru prima dată o astfel de stare agregată extremă și au introdus o sursă de lumină complet nouă. Statul se numește condensat optic Bose-Einstein și de atunci a captivat mulți fizicieni, deoarece această lume exotică a particulelor de lumină adăpostește propriile sale fenomene fizice.
Cercetătorii conduși de profesorul Martin Weitz, care a descoperit super fotonul, și fizicianul teoretic, profesorul Johann Kroha, s-au întors de la ultima lor „expediție” în lumea cuantică cu o observație foarte specială. Ei raportează o nouă tranziție de fază până acum necunoscută condensatului optic Bose-Einstein. Aceasta este o fază numită supradimensionare. Rezultatele pot fi relevante pe termen lung pentru comunicarea cuantică criptată. Studiul a fost publicat în jurnal Ştiinţă.
Condensatul Bose-Einstein este o stare fizică extremă care apare de obicei doar la temperaturi foarte scăzute. Ce este special în acest sens: particulele din acest sistem nu mai pot fi distinse și predomină în aceeași stare mecanică cuantică, adică se comportă ca o singură „superparticulă” gigantică. Prin urmare, starea poate fi descrisă printr-o funcție cu unică undă.
În 2010, cercetătorii conduși de Martin Weitz au reușit mai întâi să creeze un condensat Bose-Einstein din particule de lumină (fotoni). Sistemul său special este folosit și astăzi: fizicienii prind particulele de lumină într-un rezonator format din două oglinzi curbate separate de puțin peste un micrometru care reflectă un fascicul de lumină alternativ rapid. Spațiul este umplut cu o soluție de colorant lichid, care este utilizată pentru răcirea fotonilor. Acest lucru este realizat de moleculele de colorant care „înghit” fotonii și apoi le scuipă din nou, ceea ce aduce particulele de lumină la temperatura soluției de colorant, echivalentă cu temperatura camerei. Fundal: Sistemul permite particulelor ușoare să se răcească în primul rând, deoarece caracteristica lor naturală este dizolvarea când se răcesc.
În dreapta este un obiectiv de microscop folosit pentru a observa și analiza lumina care iese din rezonator. Credit: © Gregor Hübl / Uni Bonn
Separare clară a două faze
Tranziția de fază este ceea ce fizicienii numesc tranziția între apă și gheață în timpul înghețului. Dar cum se produce tranziția de fază în cadrul sistemului de particule de lumină prinse? Oamenii de știință o explică astfel: oglinzile ușor translucide determină pierderea și înlocuirea fotonilor, creând un dezechilibru care face ca sistemul să nu-și asume o temperatură definită și să oscileze. Acest lucru creează o tranziție între această fază oscilantă și o fază amortizată. Amortizat înseamnă că amplitudinea vibrației scade.
„Faza supradimensionată pe care am observat-o corespunde unei noi stări a câmpului luminos, ca să spunem așa”, spune autorul principal Fahri Emre Öztürk, doctorand la Institutul de Fizică Aplicată al Universității din Bonn. Caracteristica specială este că efectul laser nu este de obicei separat de condensatul Bose-Einstein printr-o tranziție de fază și nu există o limită definită între cele două stări. Aceasta înseamnă că fizicienii se pot deplasa continuu între efecte și efecte.
cu configurația optică de pe masa de măsurare a Institutului de Fizică Aplicată de la Universitatea din Bonn. Credit: © Gregor Hübl / Uni Bonn
„Cu toate acestea, în experimentul nostru, starea supradimensionată a condensului optic Bose-Einstein este separată printr-o tranziție de fază atât de la starea oscilantă, cât și de la un laser standard”, spune profesorul de studiu, dr. Martin Weitz. „Acest lucru arată că există un condensat Bose-Einstein, care este într-adevăr o stare diferită de laserul standard. „Cu alte cuvinte, acestea sunt două faze separate ale condensului optic Bose-Einstein”, subliniază el.
Cercetătorii intenționează să își folosească concluziile ca bază pentru studii ulterioare pentru a căuta noi stări ale câmpului luminos în condensate luminoase cuplate multiple, care pot apărea și în sistem. „Dacă în condensatele ușoare cuplate apar stări cuantice încurcate adecvate mecanic, poate fi interesant să transmită mesaje criptate cuantice între mai mulți participanți”, spune Fahri Emre Öztürk.
Dr. Martin Weitz, Dr. Julian Schmitt, Dr. Frank Vewinger, Dr. Johann Kroha și Dr. Göran Hellmann de la Institutul de Fizică Aplicată de la Universitatea din Bonn. Credit: © Gregor Hübl / Uni Bonn
Referință: „Observarea unei tranziții de fază non-hermitiene într-un gaz cuantic optic” de Fahri Emre Öztürk, Tim Lappe, Göran Hellmann, Julian Schmitt, Jan Klaers, Frank Vewinger, Johann Kroha și Martin Weitz, 2 aprilie 2021, Ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abe9869
Studiul a primit finanțare din partea Centrului de cercetare colaborativă TR 185 „OSCAR – Control of Atomic and Photonic Quantum Matter by Tailored Coupling to Reservoirs” de la universitățile Kaiserslautern și Bonn și ML4Q Cluster of Excellence de la universitățile din Köln, Aachen, Bonn și Jülich Research Center, finanțat de Fundația Germană pentru Cercetare. Clusterul de excelență este integrat în domeniul cercetării transdisciplinare (TRA) „Constructori de materie și interacțiuni fundamentale” al Universității din Bonn. În plus, studiul a fost finanțat de Uniunea Europeană în cadrul proiectului „PhoQuS – Fotoni pentru simulare cuantică” și de Centrul german aerospațial cu finanțare de la Ministerul Federal al Economiei și Energiei.