Переход фотонного газа: что открыло исследование квантовых эффектов

Физики из Боннского университета и Университета Кайзерслаутерн-Ландау в ходе своих экспериментов смогли наблюдать переход фотонного газа между различными размерностями: из двух в одно измерение. В рамках исследования, опубликованного в журнале Nature Physics, они использовали микрополость, содержащую фотонный газ, где полимерные наноструктуры создавали потенциал захвата для фотонов.

Фото: Openverse by Vyatsu, CC BY-SA 4.0

Меняя соотношение сторон ловушки, ученые смогли перейти от двумерного к одномерному состоянию, наблюдая, как изменяются свойства фотонного газа при таком переходе.

Процесс охлаждения фотонов проходил с использованием раствора красителя и лазера. Фотоны, отразившись между стенками микрополости, охлаждались при столкновениях с молекулами красителя, пока не конденсировались в газ. Изменение поверхностей отражателей позволило исследователям контролировать размерность газа.

Так, полимеры, нанесенные на отражающие поверхности, создавали своего рода желоба для света, где чем уже желоб, тем ближе газ был к одномерному состоянию.

В двух измерениях газ конденсируется при определенной температуре, наподобие замерзания воды при 0 градусах Цельсия. Однако в одномерных системах поведение газа отличается из-за тепловых флуктуаций, которые становятся заметными в одномерной среде, разрушая его порядок. Это привело к тому, что фазовый переход в одномерном фотонном газе становится размытым и менее определенным, хотя его свойства продолжают подчиняться законам квантовой физики.

Исследователи впервые смогли детально изучить поведение фотонного газа при переходе между размерностями и доказали, что в одномерных фотонных газах нет точной точки конденсации, как это есть в двумерных системах. Полученные данные помогут в дальнейшем исследовании квантовых оптических эффектов и могут открыть новые области применения в будущем.