研究人员利用光创造出一维气体

波恩大学和凯泽斯劳滕-兰道大学 (RPTU) 的物理学家利用光创造了一种一维气体。这使他们能够首次测试有关过渡到这种奇异物质状态的理论预测。研究人员在实验中使用的方法可用于检查量子效应。结果已发表在《自然物理学》上。

想象一下，你站在游泳池边，突然想到往里面灌更多的水。你抓起一根花园软管，用它产生一股水流，水流以高弧度弯曲，落在游泳池表面。水流冲击游泳池时，水位会短暂上升，但水位变化很小，因为落下的水很快分布在整个水域。

但是，如果你用水柱灌满排水沟，效果就会有所不同。水柱会在你对准软管的位置形成水波。这是因为排水沟的壁确保水不会流过表面，而只能沿着排水沟的方向分布。排水沟越窄，波浪的振幅越大，因此它变得越“单一”。

波恩大学应用物理研究所 (IAP) 的物理学家与 RPTU 的同事合作，目前研究了由轻粒子构成的气体是否也可以实现类似的维数效应。

“为了制造这些类型的气体，我们需要在密闭空间内集中大量光子并同时冷却它们，”IAP 的 Frank Vewinger 博士解释道，他也是波恩大学跨学科研究领域“物质”的成员。

微观小沟

在他们的实验中，研究人员在一个微型容器中装满染料溶液，并用激光激发它。产生的光子在容器的反射壁之间来回反射。每当它们与染料分子碰撞时，它们就会冷却，直到最终凝结成光子气体。

通过修改反射表面的表面，可以影响气体的维度。IAP 的研究人员与 RPTU 的 Georg von Freymann 教授领导的研究小组合作开展了这项研究。采用了一种高分辨率结构化方法，以便将其应用于该实验的光子容器的反射表面。

“我们能够在反射表面上涂上透明聚合物，从而形成微观的突起，”RPTU 的 Julian Schulz 解释道。“这些突起使我们能够在一维或二维空间中捕获光子，并将它们凝聚起来。”

“这些聚合物的作用就像一种排水沟，只不过是用来通光的，”这项研究的首席作者 Kirankumar Karkihalli Umesh 说。“排水沟越窄，气体的行为就越单一。”

热波动影响凝结点

在二维空间中，凝结发生的温度有一个精确的极限——类似于水在零摄氏度时结冰的过程。物理学家称之为相变。“然而，当我们创造一维气体而不是二维气体时，情况会有所不同，”Vewinger 说。

“所谓的热波动发生在光子气体中，但它们在二维空间中非常小，因此不会产生实际影响。然而，在一维空间中，这些波动可以——形象地说——产生巨大的波澜。”

这些波动破坏了一维系统的秩序，使得气体内不同区域的行为不再相同。结果，在二维中仍精确定义的相变随着系统变得越发一维化而变得越来越“模糊”。

然而，其性质仍然受量子物理控制，就像二维气体一样，这类气体被称为简并量子气体。就好像水在低温下会变成冰水，但在冷却时永远不会完全结冰。

“我们现在首次能够研究从二维到一维光子气体的转变过程中的这种行为，”Vewinger 解释道。

研究小组已经证明，一维光子气体实际上没有精确的凝结点。通过对聚合物结构进行微小改变，现在可以详细研究在不同维度之间转换时发生的现象。

目前这仍被视为基础研究，但它有可能为量子光学效应开辟新的应用领域。

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