Найти тему
"Интересные факты"

Ученые создали одномерный квантовый газ из света: открытие на пути к новым технологиям

2 минуты

Мир квантовой физики полон загадок и парадоксов, которые заставляют нас переосмыслить привычные представления о реальности. Одним из таких удивительных феноменов является квантовый газ света — система, в которой свет ведет себя подобно скоплению частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Недавно ученые из Германии провели серию экспериментов, посвященных исследованию квантового газа света в условиях изменения размерности системы. Они обнаружили, что при переходе от двухмерной к одномерной конфигурации газ света демонстрирует плавный переход от фазового перехода к кроссоверному поведению.

Квантовый газ света, иллюстрацияАвтор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Квантовый газ света, иллюстрацияАвтор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Почему размерность так важна?

Размерность системы — это количество независимых направлений, в которых могут двигаться частицы. В трехмерном мире мы привыкли к свободному перемещению вверх-вниз, вперед-назад и влево-вправо. Но что произойдет, если ограничить движение частиц, например, заперев их в тонком слое или в узкой трубке?

Оказывается, размерность оказывает существенное влияние на поведение квантовых систем. В низкоразмерных системах, где движение частиц ограничено, возрастает роль флуктуаций, которые могут подавлять дальний порядок и приводить к появлению новых, необычных состояний материи.

a, Экспериментальная установка для микрополостей, заполненных красителем. Фотонный газ создается путем накачки внутриполостного раствора красителя лазерным лучом, пространственно сформированным с помощью пространственного модулятора света (SLM), и фокусируется в микрополость с помощью объектива 10x. Полость состоит из двух плоских зеркал, на одно из которых нанесена полимерная структура, обеспечивающая потенциал для фотонов. Излучение полости считывается с помощью объектива для визуализации и затем анализируется пространственно или спектрально. b. Полимерная структура (показатель преломления ns), окруженная раствором красителя (показатель преломления n), создает потенциал для фотонного газа в ловушке. c. Схема прямой лазерной записи, использующая сфокусированный лазерный луч для полимеризации фоторезиста на поверхности зеркала.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org
a, Экспериментальная установка для микрополостей, заполненных красителем. Фотонный газ создается путем накачки внутриполостного раствора красителя лазерным лучом, пространственно сформированным с помощью пространственного модулятора света (SLM), и фокусируется в микрополость с помощью объектива 10x. Полость состоит из двух плоских зеркал, на одно из которых нанесена полимерная структура, обеспечивающая потенциал для фотонов. Излучение полости считывается с помощью объектива для визуализации и затем анализируется пространственно или спектрально. b. Полимерная структура (показатель преломления ns), окруженная раствором красителя (показатель преломления n), создает потенциал для фотонного газа в ловушке. c. Схема прямой лазерной записи, использующая сфокусированный лазерный луч для полимеризации фоторезиста на поверхности зеркала.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

От конденсата к кроссоверу

В двухмерной системе газ света может претерпевать фазовый переход, аналогичный конденсату Бозе-Эйнштейна в ультрахолодных атомных газах. При этом макроскопическое число фотонов скапливается в основном энергетическом состоянии, образуя конденсат.

Однако в одномерной системе ситуация меняется. Флуктуации становятся настолько сильными, что подавляют образование конденсата, и вместо фазового перехода наблюдается плавный кроссовер к квазиконденсатному состоянию.

Распределение плотности фотонов в режиме квантового вырождения в потенциалах 1D (a, Λ = 22), 2D-1D (b, Λ = 5) и 2D (c, Λ = 1) гармонического осциллятора, соответственно. Микроскопические изображения соответствующих полимерных структур на зеркале полости показаны в виде вставок. Пунктирными линиями обозначено положение разрезов через центр облака вдоль горизонтальной и вертикальной осей, показанных на боковой и верхней панелях. Пунктирная черная линия на панелях разрезов показывает вклад тепловых мод, сплошная красная линия — вклад наземной моды. Для теоретических ожиданий мы предполагаем бозе-эйнштейновское распределение населенности внутри мод, с общим числом фотонов N = 54 (1D), N = 357 (2D-1D) и N = 3958 (2D), соответственно. Заметное отклонение в одномерном случае объясняется излучением мод свободного пространства, которые возбуждаются на границе потенциала.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org
Распределение плотности фотонов в режиме квантового вырождения в потенциалах 1D (a, Λ = 22), 2D-1D (b, Λ = 5) и 2D (c, Λ = 1) гармонического осциллятора, соответственно. Микроскопические изображения соответствующих полимерных структур на зеркале полости показаны в виде вставок. Пунктирными линиями обозначено положение разрезов через центр облака вдоль горизонтальной и вертикальной осей, показанных на боковой и верхней панелях. Пунктирная черная линия на панелях разрезов показывает вклад тепловых мод, сплошная красная линия — вклад наземной моды. Для теоретических ожиданий мы предполагаем бозе-эйнштейновское распределение населенности внутри мод, с общим числом фотонов N = 54 (1D), N = 357 (2D-1D) и N = 3958 (2D), соответственно. Заметное отклонение в одномерном случае объясняется излучением мод свободного пространства, которые возбуждаются на границе потенциала.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Эксперимент: фотоны в ловушке

В своих экспериментах немецкие ученые использовали оптический микрорезонатор, заполненный раствором красителя. Фотоны, рождающиеся при возбуждении красителя лазерным излучением, оказывались запертыми в резонаторе и взаимодействовали с молекулами красителя, что обеспечивало их термализацию.

Для создания ловушки для фотонов на одно из зеркал резонатора наносилась полимерная микроструктура, форма которой определяла форму потенциала для фотонов. Изменяя форму микроструктуры, ученые могли контролировать размерность системы и наблюдать за поведением газа света при переходе от двухмерной к одномерной конфигурации.

Спектроскопия фотонного газа. a, Интегральный спектр флуоресценции полости для 2D (Λ = 1), 2D-1D (Λ = 5) и 1D (Λ = 22) потенциала гармонического осциллятора, черная кривая — ожидаемое бозе-эйнштейновское распределение фотонов при T = 300 K, оцененное по измеренному положению мод гармонического осциллятора. b, Изображение рассеянного решеткой излучения полости на камеру (необработанные спектры) позволяет получить изображение формы нескольких первых мод. Для случая 2D-1D энергетические состояния, связанные с первой возбужденной модой жестко ограниченного размера, появляются примерно на уровне 5-й моды. Число фотонов N в каждом случае выбирается в режиме квантового вырождения таким образом, чтобы все моды были видны, т. е. заселенность N0 в основной моде не сильно превышала заселенность возбужденных мод, т. е. N0/N ≈ 0.3, 0.18 и 0.3 для 2D, 2D-1D и 1D соответственно.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org
Спектроскопия фотонного газа. a, Интегральный спектр флуоресценции полости для 2D (Λ = 1), 2D-1D (Λ = 5) и 1D (Λ = 22) потенциала гармонического осциллятора, черная кривая — ожидаемое бозе-эйнштейновское распределение фотонов при T = 300 K, оцененное по измеренному положению мод гармонического осциллятора. b, Изображение рассеянного решеткой излучения полости на камеру (необработанные спектры) позволяет получить изображение формы нескольких первых мод. Для случая 2D-1D энергетические состояния, связанные с первой возбужденной модой жестко ограниченного размера, появляются примерно на уровне 5-й моды. Число фотонов N в каждом случае выбирается в режиме квантового вырождения таким образом, чтобы все моды были видны, т. е. заселенность N0 в основной моде не сильно превышала заселенность возбужденных мод, т. е. N0/N ≈ 0.3, 0.18 и 0.3 для 2D, 2D-1D и 1D соответственно.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Результаты: игра в прятки с измерениями

Эксперименты показали, что при изменении размерности системы газ света демонстрирует плавный переход от фазового перехода к кроссоверному поведению. В двухмерной системе наблюдался резкий скачок в химическом потенциале, свидетельствующий о фазовом переходе к конденсату. В одномерной системе химический потенциал изменялся плавно, указывая на кроссоверный характер поведения.

Переход от фазового перехода в 2D к переходу в 1D виден в химическом потенциале. a, Символы представляют измеренное изменение абсолютной величины химического потенциала |µ| в единицах тепловой энергии (kBT) от 1D к 2D (1D, 2D-1D и 2D) потенциалам гармонического осциллятора в зависимости от нормированного числа фотонов N/N˜, где энергия нулевой точки установлена в ноль. Сплошные линии — теоретические ожидания для соответствующих потенциалов гармонических осцилляторов. b, Измеренная внутренняя энергия на частицу (фотон) в единицах kBT как функция нормированного числа фотонов N/N˜, сверху вниз, 2D, 2D-1D и 1D потенциалы гармонических осцилляторов, с соответствующими теоретическими ожиданиями в сплошных линиях. Столбики ошибок показывают статистические стандартные отклонения.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org
Переход от фазового перехода в 2D к переходу в 1D виден в химическом потенциале. a, Символы представляют измеренное изменение абсолютной величины химического потенциала |µ| в единицах тепловой энергии (kBT) от 1D к 2D (1D, 2D-1D и 2D) потенциалам гармонического осциллятора в зависимости от нормированного числа фотонов N/N˜, где энергия нулевой точки установлена в ноль. Сплошные линии — теоретические ожидания для соответствующих потенциалов гармонических осцилляторов. b, Измеренная внутренняя энергия на частицу (фотон) в единицах kBT как функция нормированного числа фотонов N/N˜, сверху вниз, 2D, 2D-1D и 1D потенциалы гармонических осцилляторов, с соответствующими теоретическими ожиданиями в сплошных линиях. Столбики ошибок показывают статистические стандартные отклонения.Автор: Kirankumar Karkihalli Umesh, Julian Schulz, Julian Schmitt, Martin Weitz, Georg von Freymann, Frank Vewinger; arXiv:2311.10485 [cond-mat.quant-gas]; CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Эти результаты подтверждают теоретические предсказания и открывают новые возможности для изучения квантовых систем в условиях изменяющейся размерности.

Перспективы: квантовые технологии будущего

Исследования квантового газа света имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение. Понимание свойств квантовых систем в низких измерениях может привести к созданию новых квантовых устройств и технологий, таких как квантовые компьютеры и квантовые сенсоры.

Квантовый газ света — это удивительная система, которая позволяет нам заглянуть в мир квантовой физики и расширить наши представления о природе реальности. Дальнейшие исследования этой системы, несомненно, приведут к новым открытиям и технологическим прорывам.