物理学家创造出可压缩的光学量子气体

　　Leon Espert Miranda，Julian Schmitt博士和Erik Busley。图片来源：Volker Lannert/University of Bonn
　　波恩大学的研究人员创造了一种可以极度压缩的轻粒子气体。他们的研究结果证实了量子物理学中心理论的预测。这些发现还可以为可以测量微小力的新型传感器指明方向。该研究发表在《 科学 》杂志上。
　　如果用手指插入空气泵的出口，您仍然可以将其活塞向下推。原因是：气体相当容易压缩，这与液体不同。如果泵含有水而不是空气，那么即使付出最大的努力，也基本上不可能移动活塞。
　　气体通常由原子或分子组成，它们在空间中或多或少地快速旋转。它与光非常相似：它最小的构建块是光子，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，这种气体的行为有些不寻常：你可以在某些条件下压缩它，几乎不费吹灰之力。至少这是理论所预测的。
　　镜盒中的光子
　　波恩大学应用物理研究所（IAP）的研究人员现在首次在实验中证明了这种效果。＂为了做到这一点，我们将光粒子储存在一个由镜子制成的小盒子里，＂IAP的Julian Schmitt博士解释说，他是Martin Weitz教授小组的首席研究员。＂我们放在那里的光子越多，光子气体就越密集。
　　光学微谐振器实现了＂光子盒＂。图片来源：Volker Lannert/University of Bonn
　　规则通常如下：气体越稠密，压缩越困难。堵塞的空气泵也是如此 - 起初活塞可以很容易地向下推，但在某些时候，即使施加很大的力，它也很难进一步移动。波恩实验最初是相似的：他们放入镜盒中的光子越多，压缩气体就越困难。
　　然而，行为在某一点上突然改变：一旦光子气体超过特定密度，它就会突然被压缩，几乎没有阻力。＂这种效应源于量子力学的规则，＂施密特解释说，他也是卓越集群＂量子计算的物质和光＂的准成员，也是Transregio Collaborative Research Center 185的项目负责人。原因是：光粒子表现出＂模糊性＂——简单来说，它们的位置有些模糊。当它们以高密度非常接近彼此时，光子开始重叠。物理学家也谈到了气体的＂量子简并＂。压缩这种量子简并气体变得更加容易。
　　自组织光子
　　如果重叠足够强，光粒子会融合形成一种超级光子，即玻色-爱因斯坦凝聚物。用非常簡單的術語來說，這個過程可以與水的冰凍相比較：在液態下，水分子是無序的;然后，在冰点，形成第一个冰晶，最终合并成一个延伸的，高度有序的冰层。＂有序岛＂也是在玻色-爱因斯坦凝聚物形成之前形成的，随着光子的进一步增加，它们变得越来越大。
　　只有当这些岛屿生长得如此之多以至于秩序延伸到包含光子的整个镜盒时，才会形成凝聚物。这可以比作一个湖泊，其中独立的浮冰最终连接在一起形成均匀的表面。当然，与小盒子相比，这需要在扩展的盒子中加入更多的光粒子。＂我们能够在实验中证明这种关系，＂施密特指出。
　　为了创造一种具有可变粒子数和明确定义温度的气体，研究人员使用了＂热浴＂：＂我们将分子插入可以吸收光子的镜盒中，＂施密特解释说。随后，它们发射出新的光子，平均具有分子的温度 - 在我们的例子中，略低于300开尔文，这大约是室温。
　　研究人员还必须克服另一个障碍：光子气体通常密度不均匀 - 某些地方的粒子比其他地方多得多。＂我们在实验中采用了不同的方法，＂该出版物的第一作者Erik Busley说。＂我们在使用微结构方法创建的平底镜盒中捕获光子。这使我们能够首次创造出光子的均匀量子气体。
　　在未来，气体的量子增强的可压缩性将使研究可以测量微小力的新型传感器成为可能。除了技术前景外，这些结果也使科学家对基础研究产生了极大的兴趣。