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過渡到這種奇異物質狀態(tài)的理論預測。研究人員在實驗中使用的方法可用于檢查量子效應。結果已發(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成的氣體是否也可以實現(xiàn)類似的維數(shù)效應。
“為了制造這些類型的氣體，我們需要在密閉空間內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域“物質”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 教授領導的研究小組合作開展了這項研究。采用了一種高分辨率結構化方法，以便將其應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。”
熱波動影響凝結點
在二維空間中，凝結發(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，使得氣體內不同區(qū)域的行為不再相同。結果，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冰。
“我們現(xiàn)在首次能夠研究從二維到一維光子氣體的轉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點。通過對聚合物結構進行微小改變，現(xiàn)在可以詳細研究在不同維度之間轉換時發(fā)生的現(xiàn)象。
目前這仍被視為基礎研究，但它有可能為量子光學效應開辟新的應用領域。
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