量子魔术：超级光子如何塑造物理学的未来

生活 2024年08月12日 03:52 1.1K+ 姝漪

波恩大学的研究人员已经证明，超级光子，或光子玻色-爱因斯坦凝聚体，符合基本物理定理，使人们能够深入了解通常难以观察到的性质。

在合适的条件下，数千个光粒子可以融合成一种“超级光子”。物理学家称这种状态为光子玻色-爱因斯坦凝聚体。波恩大学的研究人员现在已经证明，这种奇异的量子态遵循物理学的基本定理。这一发现现在允许人们测量光子玻色-爱因斯坦凝聚体的性质，而这通常是很难获得的。这项研究发表在6月3日的《自然通讯》杂志上。

如果许多原子被冷却到一个非常低的温度，限制在一个小体积内，它们就会变得难以区分，表现得像一个单一的“超级粒子”。物理学家也称其为玻色-爱因斯坦凝聚体或量子气体。光子的凝聚基于类似的原理，并且可以使用染料分子进行冷却。这些分子就像小冰箱一样，吞下“热”的光粒子，然后在合适的温度下再把它们吐出来。

量子气体中的超级光子实验

波恩大学应用物理研究所的朱利安·施密特博士解释说：“在我们的实验中，我们在一个小容器里装满了染料溶液。集装箱的壁是高度反光的。”然后，研究人员用激光激发染料分子。这就产生了在反射表面之间来回反弹的光子。随着光粒子与染料分子反复碰撞，它们冷却下来，最终凝聚成量子气体。

然而，这个过程之后仍在继续，超级光子的粒子反复与染料分子碰撞，在再次被吐出之前被吞噬。因此，量子气体有时含有更多的光子，有时含有更少的光子，使其像蜡烛一样闪烁。“我们用这种闪烁来研究一个重要的物理定理在量子气体系统中是否有效，”施密特说。

理解量子气体中的回归定理

这个所谓的“回归定理”可以用一个简单的类比来说明：让我们假设超级光子是一堆篝火，有时会随机地非常强烈地燃烧起来。当火焰特别明亮后，火焰慢慢熄灭，火恢复到原来的状态。有趣的是，人们也可以通过向余烬中吹气来故意使火燃烧起来。简单地说，回归定理预测火灾将以同样的方式继续燃烧，就好像火灾是随机发生的一样。这意味着它对扰动的响应方式与它在没有任何扰动的情况下自行波动的方式完全相同。

把空气吹进光子火焰

施密特解释道：“我们想弄清楚这种行为是否也适用于量子气体。”他也是波恩大学跨学科研究领域（TRA）“物质的构建块”和“量子计算的物质和光”卓越集群的成员。为此，研究人员首先测量了超级光子的闪烁，量子魔术：超级光子如何塑造物理学的未来以量化统计波动。然后，他们（形象地说）通过短暂地向超级光子发射另一个激光，将空气吹入火中。这种扰动导致它在缓慢恢复到初始状态之前短暂地爆发。

证明量子系统中的非线性行为

这位物理学家说：“我们能够观察到，对这种温和扰动的响应与没有扰动的随机波动完全遵循相同的动力学。通过这种方式，我们首次证明了这一定理也适用于作为量子气体的奇异形式的物质。”有趣的是，强扰动也是如此。系统通常对较强的扰动和较弱的扰动做出不同的反应——一个极端的例子是一层冰，当施加在它上面的负荷变得太重时，它会突然破裂。施密特说：“这被称为非线性行为。然而，正如我们现在能够与安特卫普大学的同事一起证明的那样，该定理在这些情况下仍然有效。”

光子量子气体研究的启示

这些发现与光子量子气体的基础研究有着巨大的相关性，因为人们通常不知道它们在亮度上是如何闪烁的。确定超级光子对受控扰动的反应要容易得多。“这使我们能够在非常受控的条件下了解未知的特性，”施密特解释说。“例如，它将使我们能够发现由许多超级光子组成的新型光子材料在其核心处的行为。”

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