Bare syv fotoner kan virke som milliarder

Anonim

Et system laget av bare en håndfull partikler virker akkurat som større systemer, slik at forskere lettere studerer kvanteoppførsel.

De fleste stoffforskere studerer består av store mengder partikler, så store at det ikke er noen forskjell mellom atferdsmessige egenskapene til en dråpe eller et svømmebasseng er verdt av rent vann. Selv en enkelt dråpe kan inneholde mer enn en quadrillionpartikler.

Dette gjør forståelsen deres kollektive atferd relativt enkel. For eksempel vil både vannet i dråpen og i bassenget fryse ved 0 ° C og koke ved 100 ° C.

Slike "faseoverganger" (dvs. fra flytende til faste eller flytende til gass) kan virke brå i disse store systemene, fordi så mange partikler er involvert at de alle ser ut til å fungere samtidig. Men hva med i langt mindre systemer? Når det er bare en håndfull partikler, gjelder samme regler for faseoverganger?

For å svare på disse spørsmålene gjorde et team av forskere fra Imperial College London, Universitetet i Oxford og Karlsruhe Institute of Technology, Tyskland, et system med mindre enn 10 fotoner, de grunnleggende lyspartikler. Resultatene av deres eksperimenter, publisert i dag i Naturfysikk, viser at faseoverganger fremdeles forekommer i systemer som består av så få som syv partikler i gjennomsnitt.

Det å studere kvanteoppførsel av partikler er mye lettere med færre partikler, så det faktum at faseoverganger forekommer i disse små systemene, betyr at forskere bedre kan studere kvantegenskaper som kohærens.

Lederforfatter Dr. Robert Nyman, fra Institutt for fysikk ved Imperial, sa: "Nå som det er bekreftet at 'faseovergang' fortsatt er et nyttig konsept i slike små systemer, kan vi utforske egenskaper på måter som ikke ville være mulige i større systemer.

"Spesielt kan vi studere kvanteegenskapene til materie og lys - hva skjer i minste skala når faseoverganger forekommer."

Systemet teamet studerte var et Bose-Einstein kondensat (BEC) av fotoner. BEC dannes når en gass av kvantepartikler er så kald eller så nær at de ikke lenger kan skille seg fra. En BEC er en tilstand av materie som har svært forskjellige egenskaper fra faste stoffer, væsker, gasser eller plasmaer.

Teamet fant at ved å legge til fotoner i systemet, fantes en faseovergang til en BEC når systemet nådde rundt syv fotoner, færre enn i noen andre BEC sett før. Å være så liten var overgangen mindre brat enn i større systemer som vannpumper, men det faktum at overgangen skjedde på et forutsigbart punkt, speiler større systemer godt.

Systemet ble opprettet med et enkelt apparat, noe fluorescerende fargestoffer og buede speil. Dette betyr at i tillegg til å være nyttig i studiet av kvantegenskaper, kan systemet brukes til å skape og manipulere spesielle lystilstander.

Medforfatter Dr. Florian Mintert, fra Institutt for fysikk ved Imperial, sa: "Med det beste av to forskjellige verdener - fysikken i faseoverganger og tilgjengeligheten til små systemer - denne uvanlige lyskilden har potensielle anvendelser i måling eller sensing ."

menu
menu