Science | 物理学家创造了可压缩的“光气体”

       简介:研究人员创造了一种可以被极度压缩的光粒子气体。他们的结果证实了量子物理中心理论的预测。这一发现也为研制新型传感器指明了方向，这种传感器可以测量微小的力。研究结果发表在 Science上

       如果你用手指堵住气泵的出口，你仍然可以把它的活塞往下推。原因是:与液体不同，气体很容易压缩。如果泵里装的是水而不是空气，那么即使使出最大的力气，活塞也基本上不可能移动。

       气体通常由原子或分子组成，它们或多或少地在空间中旋转。它与光非常相似:光最小的组成部分是光子，而光子在某些方面表现得像粒子。然而，这些光子也可以被视为一种气体，一种表现有些不同寻常的气体:你可以在特定条件下毫不费力地压缩它。至少理论是这样预测的。

       光子在镜子构成的盒子里

       Bonn大学应用物理研究所(IAP)的研究人员已经在实验中首次证明了这种效应。“为了做到这一点，我们把光粒子储存在一个用镜子做成的小盒子里，”IAP的Julian Schmitt博士解释说，他是Martin Weitz教授小组的主要研究员。“我们放进去的光子越多，光子气体的密度就越大。”

       通常的物理规则是:气体越密，越难压缩。塞入气泵的情况也是如此——一开始活塞可以很容易地往下推，但在某种程度上，即使施加很大的力，活塞也很难再向前移动。波恩的实验最初是相似的:他们放入镜盒的光子越多，压缩这种气体就越困难。

       然而，这种行为在某一点上突然改变了:一旦光子气体超过了特定的密度，它就会突然几乎没有阻力的被压缩。“这种效应源于量子力学的规则，” Schmitt解释说，他也是卓越集群“量子计算物质和光”的副成员，也是Transregio 185合作研究中心的项目负责人。原因是:光粒子表现出一种“模糊性”——简单地说，它们的位置有点模糊。在高密度下它们非常接近时，光子开始重叠。物理学家也谈到了气体的“量子简并”。压缩这样的量子简并气体变得容易得多。

       自组织的光子

       如果重叠足够强，轻粒子融合形成一种超光子，一种玻色-爱因斯坦凝聚态。这个过程可以很简单地比作水的结冰:在液体状态下，水分子是无序的;然后，在冰点，第一个冰晶形成，最终合并成一个扩展的、高度有序的冰层。“Islands of order”也恰好在玻色-爱因斯坦凝聚态形成之前形成，随着光子的进一步增加，它们变得越来越大。

       只有当这些Islands数目增长至，到这一秩序延伸到包含光子的整个镜子构成的盒子时，凝聚态才会形成。这就好比一个湖泊，独立的浮冰最终结合在一起形成了一个统一的表面。自然地，与小盒子相比，这需要在一个扩展盒子中有更多的轻粒子。“我们能够在实验中证明这种关系，” Schmitt指出。

       为了创造一种具有可变粒子数和明确温度的气体，研究人员使用了一种“热浴”方法:“我们将分子插入可以吸收光子的镜盒中，” Schmitt解释道。“随后，它们会发射新的光子，这些光子具有平均分子温度——在我们的研究中，略低于300开尔文，大约是室温。”

       研究人员还必须克服另一个困难:光子气体的密度通常不是均匀的——某些地方的粒子比其他地方多得多。这是由于它们通常包含在陷阱的形状中。“我们在实验中采用了一种不同的方法，”该论文的第一作者Erik Busley说。“我们用一种微结构方法创造了一个平底镜盒来捕捉光子。这使我们首次能够创造出均匀的光子量子气体。”

图1：捕获均匀的二维光子气体。（A） 一个充满染料分子的空间结构微腔将均匀的光子气体限制和热化。

其中一个腔镜的局部凸起表面实现了排斥势能。（B） L=80μm方形盒中均匀光子气体的表面密度示例

       未来，量子增强的气体可压缩性将有可能实现能够测量微小力的新型传感器。研究结果不仅具有技术前景，而且具有重要的基础研究价值。

[1] Erik Busley, Leon Espert Miranda, Andreas Redmann, Christian Kurtscheid, Kirankumar Karkihalli Umesh, Frank Vewinger, Martin Weitz and Julian Schmitt. Compressibility and the Equation of State of an Optical Quantum Gas in a Box. Science, 2022

来源：Materials provided by University of Bonn. Note: Content may be edited for style and length.