Tylko siedem fotonów może działać jak miliardy

Anonim

System złożony z zaledwie kilku cząsteczek działa tak samo, jak większe systemy, pozwalając naukowcom na łatwiejsze badanie zachowania kwantowego.

Większość badanych fizyków substancji składa się z ogromnej liczby cząsteczek - tak dużych, że zasadniczo nie ma różnicy pomiędzy właściwościami behawioralnymi kropli lub wartościami czystej wody w basenie. Nawet pojedyncza kropla może zawierać więcej niż kwadrylion cząstek.

To sprawia, że ​​zrozumienie ich wspólnego zachowania jest stosunkowo łatwe. Na przykład zarówno woda w kropli, jak i w basenie zamarznie w temperaturze 0 ° C i gotuje się w temperaturze 100 ° C.

Takie "przejścia fazowe" (tj. Z cieczy na ciało stałe lub z cieczy na gaz) mogą wydawać się nagłe w tych dużych systemach, ponieważ bierze się pod uwagę tak wiele cząstek, że wszystkie wydają się działać natychmiast. Ale co z mniejszymi systemami? Kiedy jest tylko garść cząsteczek, stosuje się te same reguły przejść fazowych?

Aby odpowiedzieć na te pytania, zespół naukowców z Imperial College London, University of Oxford i Karlsruhe Institute of Technology w Niemczech, opracował system składający się z mniej niż 10 fotonów, podstawowych cząstek światła. Wyniki ich eksperymentów, opublikowane dzisiaj w Nature Physics, pokazują, że przejścia fazowe nadal występują w układach złożonych średnio z zaledwie siedmiu cząsteczek.

Badanie zachowań kwantowych cząstek jest znacznie łatwiejsze przy mniejszej liczbie cząstek, więc fakt, że przejścia fazowe występują w tych małych systemach, oznacza, że ​​naukowcy są w stanie lepiej badać własności kwantowe, takie jak spójność.

Główny autor, dr Robert Nyman, z Wydziału Fizyki w Imperial, powiedział: "Teraz, kiedy potwierdzono, że" przejście fazowe "jest wciąż użytecznym pojęciem w tak małych systemach, możemy badać właściwości w sposób, który nie byłby możliwy w większych systemy.

"W szczególności możemy zbadać kwantowe właściwości materii i światła - co dzieje się w najmniejszej skali, kiedy występują przemiany fazowe."

System, którego zespół badał, to kondensat Bose-Einsteina (BEC) fotonów. BEC powstają, gdy gaz cząstek kwantowych jest tak zimny lub tak blisko siebie, że nie można ich już rozróżnić. BEC jest stanem materii, który ma bardzo różne właściwości od ciał stałych, cieczy, gazów lub plazmy.

Zespół odkrył, że poprzez dodanie fotonów do systemu, przejście fazowe do BEC nastąpiłoby, gdy system osiągnąłby około siedmiu fotonów, mniej niż w jakimkolwiek innym wcześniejszym BEC. Będąc tak małym, przejście było mniej gwałtowne niż w większych systemach, takich jak kałuże wody, ale fakt, że przejście miało miejsce w przewidywalnym punkcie, dobrze odzwierciedla duże systemy.

System został stworzony za pomocą prostego aparatu - trochę barwnika fluorescencyjnego i zakrzywionych luster. Oznacza to, że system nie tylko może być użyteczny w badaniach właściwości kwantowych, ale także może służyć do tworzenia i manipulowania specjalnymi stanami światła.

Współautor dr Florian Mintert z Wydziału Fizyki w Imperial powiedział: "Dzięki najlepszym z dwóch różnych światów - fizyki przejść fazowych i dostępności małych systemów - to niezwykłe źródło światła ma potencjalne zastosowania w pomiarach lub wykrywaniu. "

menu
menu