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研究人員利用光創(chuàng)造出一維氣體

導(dǎo)讀 波恩大學和凱澤斯勞滕-蘭道大學 (RPTU) 的物理學家利用光創(chuàng)造了一種一維氣體。這使他們能夠首次測試有關(guān)過渡到這種奇異物質(zhì)狀態(tài)的理論預(yù)...

波恩大學和凱澤斯勞滕-蘭道大學 (RPTU) 的物理學家利用光創(chuàng)造了一種一維氣體。這使他們能夠首次測試有關(guān)過渡到這種奇異物質(zhì)狀態(tài)的理論預(yù)測。研究人員在實驗中使用的方法可用于檢查量子效應(yīng)。結(jié)果已發(fā)表在《自然物理學》上。

想象一下,你站在游泳池邊,突然想到往里面灌更多的水。你抓起一根花園軟管,用它產(chǎn)生一股水流,水流以高弧度彎曲,落在游泳池表面。水流沖擊游泳池時,水位會短暫上升,但水位變化很小,因為落下的水很快分布在整個水域。

但是,如果你用水柱灌滿排水溝,效果就會有所不同。水柱會在你對準軟管的位置形成水波。這是因為排水溝的壁確保水不會流過表面,而只能沿著排水溝的方向分布。排水溝越窄,波浪的振幅越大,因此它變得越“單一”。

波恩大學應(yīng)用物理研究所 (IAP) 的物理學家與 RPTU 的同事合作,目前研究了由輕粒子構(gòu)成的氣體是否也可以實現(xiàn)類似的維數(shù)效應(yīng)。

“為了制造這些類型的氣體,我們需要在密閉空間內(nèi)集中大量光子并同時冷卻它們,”IAP 的 Frank Vewinger 博士解釋道,他也是波恩大學跨學科研究領(lǐng)域“物質(zhì)”的成員。

微觀小溝

在他們的實驗中,研究人員在一個微型容器中裝滿染料溶液,并用激光激發(fā)它。產(chǎn)生的光子在容器的反射壁之間來回反射。每當它們與染料分子碰撞時,它們就會冷卻,直到最終凝結(jié)成光子氣體。

通過修改反射表面的表面,可以影響氣體的維度。IAP 的研究人員與 RPTU 的 Georg von Freymann 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組合作開展了這項研究。采用了一種高分辨率結(jié)構(gòu)化方法,以便將其應(yīng)用于該實驗的光子容器的反射表面。

“我們能夠在反射表面上涂上透明聚合物,從而形成微觀的突起,”RPTU 的 Julian Schulz 解釋道。“這些突起使我們能夠在一維或二維空間中捕獲光子,并將它們凝聚起來。”

“這些聚合物的作用就像一種排水溝,只不過是用來通光的,”這項研究的首席作者 Kirankumar Karkihalli Umesh 說。“排水溝越窄,氣體的行為就越單一。”

熱波動影響凝結(jié)點

在二維空間中,凝結(jié)發(fā)生的溫度有一個精確的極限——類似于水在零攝氏度時結(jié)冰的過程。物理學家稱之為相變。“然而,當我們創(chuàng)造一維氣體而不是二維氣體時,情況會有所不同,”Vewinger 說。

“所謂的熱波動發(fā)生在光子氣體中,但它們在二維空間中非常小,因此不會產(chǎn)生實際影響。然而,在一維空間中,這些波動可以——形象地說——產(chǎn)生巨大的波瀾。”

這些波動破壞了一維系統(tǒng)的秩序,使得氣體內(nèi)不同區(qū)域的行為不再相同。結(jié)果,在二維中仍精確定義的相變隨著系統(tǒng)變得越發(fā)一維化而變得越來越“模糊”。

然而,其性質(zhì)仍然受量子物理控制,就像二維氣體一樣,這類氣體被稱為簡并量子氣體。就好像水在低溫下會變成冰水,但在冷卻時永遠不會完全結(jié)冰。

“我們現(xiàn)在首次能夠研究從二維到一維光子氣體的轉(zhuǎn)變過程中的這種行為,”Vewinger 解釋道。

研究小組已經(jīng)證明,一維光子氣體實際上沒有精確的凝結(jié)點。通過對聚合物結(jié)構(gòu)進行微小改變,現(xiàn)在可以詳細研究在不同維度之間轉(zhuǎn)換時發(fā)生的現(xiàn)象。

目前這仍被視為基礎(chǔ)研究,但它有可能為量子光學效應(yīng)開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

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