研究人員利用光創(chuàng)造出一維氣體

波恩大學(xué)和凱澤斯勞滕-蘭道大學(xué) (RPTU) 的物理學(xué)家利用光創(chuàng)造了一種一維氣體。這使他們能夠首次測試有關(guān)過渡到這種奇異物質(zhì)狀態(tài)的理論預(yù)測。研究人員在實(shí)驗(yàn)中使用的方法可用于檢查量子效應(yīng)。結(jié)果已發(fā)表在《自然物理學(xué)》上。

想象一下，你站在游泳池邊，突然想到往里面灌更多的水。你抓起一根花園軟管，用它產(chǎn)生一股水流，水流以高弧度彎曲，落在游泳池表面。水流沖擊游泳池時(shí)，水位會短暫上升，但水位變化很小，因?yàn)槁湎碌乃芸旆植荚谡麄€(gè)水域。

但是，如果你用水柱灌滿排水溝，效果就會有所不同。水柱會在你對準(zhǔn)軟管的位置形成水波。這是因?yàn)榕潘疁系谋诖_保水不會流過表面，而只能沿著排水溝的方向分布。排水溝越窄，波浪的振幅越大，因此它變得越“單一”。

波恩大學(xué)應(yīng)用物理研究所 (IAP) 的物理學(xué)家與 RPTU 的同事合作，目前研究了由輕粒子構(gòu)成的氣體是否也可以實(shí)現(xiàn)類似的維數(shù)效應(yīng)。

“為了制造這些類型的氣體，我們需要在密閉空間內(nèi)集中大量光子并同時(shí)冷卻它們，”IAP 的 Frank Vewinger 博士解釋道，他也是波恩大學(xué)跨學(xué)科研究領(lǐng)域“物質(zhì)”的成員。

微觀小溝

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員在一個(gè)微型容器中裝滿染料溶液，并用激光激發(fā)它。產(chǎn)生的光子在容器的反射壁之間來回反射。每當(dāng)它們與染料分子碰撞時(shí)，它們就會冷卻，直到最終凝結(jié)成光子氣體。

通過修改反射表面的表面，可以影響氣體的維度。IAP 的研究人員與 RPTU 的 Georg von Freymann 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組合作開展了這項(xiàng)研究。采用了一種高分辨率結(jié)構(gòu)化方法，以便將其應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)的光子容器的反射表面。

“我們能夠在反射表面上涂上透明聚合物，從而形成微觀的突起，”RPTU 的 Julian Schulz 解釋道。“這些突起使我們能夠在一維或二維空間中捕獲光子，并將它們凝聚起來。”

“這些聚合物的作用就像一種排水溝，只不過是用來通光的，”這項(xiàng)研究的首席作者 Kirankumar Karkihalli Umesh 說。“排水溝越窄，氣體的行為就越單一。”

熱波動影響凝結(jié)點(diǎn)

在二維空間中，凝結(jié)發(fā)生的溫度有一個(gè)精確的極限——類似于水在零攝氏度時(shí)結(jié)冰的過程。物理學(xué)家稱之為相變。“然而，當(dāng)我們創(chuàng)造一維氣體而不是二維氣體時(shí)，情況會有所不同，”Vewinger 說。

“所謂的熱波動發(fā)生在光子氣體中，但它們在二維空間中非常小，因此不會產(chǎn)生實(shí)際影響。然而，在一維空間中，這些波動可以——形象地說——產(chǎn)生巨大的波瀾。”

這些波動破壞了一維系統(tǒng)的秩序，使得氣體內(nèi)不同區(qū)域的行為不再相同。結(jié)果，在二維中仍精確定義的相變隨著系統(tǒng)變得越發(fā)一維化而變得越來越“模糊”。

然而，其性質(zhì)仍然受量子物理控制，就像二維氣體一樣，這類氣體被稱為簡并量子氣體。就好像水在低溫下會變成冰水，但在冷卻時(shí)永遠(yuǎn)不會完全結(jié)冰。

“我們現(xiàn)在首次能夠研究從二維到一維光子氣體的轉(zhuǎn)變過程中的這種行為，”Vewinger 解釋道。

研究小組已經(jīng)證明，一維光子氣體實(shí)際上沒有精確的凝結(jié)點(diǎn)。通過對聚合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行微小改變，現(xiàn)在可以詳細(xì)研究在不同維度之間轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。

目前這仍被視為基礎(chǔ)研究，但它有可能為量子光學(xué)效應(yīng)開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

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