Ett system som består av bara en handfull partiklar fungerar precis som större system, gör det lättare för forskare att studera kvantbeteende.

De flesta ämnen som fysiker studerar består av ett enormt antal partiklar - så stora att det i princip inte finns någon skillnad mellan beteendeegenskaperna hos en droppe eller en pools värde av rent vatten. Även en enda droppe kan innehålla mer än en kvadriljon partiklar.

Detta gör det relativt enkelt att förstå deras kollektiva beteende. Till exempel, både vattnet i droppen och i poolen kommer att frysa vid 0C och koka vid 100C.

Sådana "fasövergångar" (dvs. från vätska till fast eller från vätska till gas) kan uppträda abrupt i dessa stora system, eftersom så många partiklar är inblandade att de alla verkar agera på en gång. Men hur är det i mycket mindre system? När det bara finns en handfull partiklar, gäller samma regler för fasövergångar?

För att svara på dessa frågor, ett team av forskare från Imperial College London, University of Oxford och Karlsruhe Institute of Technology, Tyskland, gjort ett system med mindre än 10 fotoner, ljusets grundläggande partiklar. Resultaten av deras experiment, publiceras idag i Naturfysik , visar att fasövergångar fortfarande förekommer i system som består av så få som sju partiklar i genomsnitt.

Att studera kvantbeteende hos partiklar är mycket lättare med färre partiklar, så det faktum att fasövergångar sker i dessa små system betyder att forskare är bättre på att studera kvantegenskaper som koherens.

Huvudförfattare Dr Robert Nyman, från Institutionen för fysik vid Imperial, sa:"Nu när det har bekräftats att 'fasövergång' fortfarande är ett användbart koncept i så små system, vi kan utforska fastigheter på sätt som inte skulle vara möjligt i större system.

"Särskilt, vi kan studera kvantegenskaperna hos materia och ljus - vad som händer i minsta skala när fasövergångar inträffar."

Systemet som teamet studerade var ett Bose-Einstein-kondensat (BEC) av fotoner. BEC bildas när en gas av kvantpartiklar är så kall eller så nära varandra att de inte längre kan urskiljas. En BEC är ett tillstånd av materia som har mycket olika egenskaper än fasta ämnen, vätskor, gaser eller plasma.

Teamet fann att genom att lägga till fotoner i systemet, en fasövergång till en BEC skulle inträffa när systemet nådde runt sju fotoner, färre än i något annat BEC sett tidigare. Att vara så liten, övergången var mindre abrupt än i större system som vattenpölar, men det faktum att övergången inträffade vid en förutsägbar punkt speglar större system väl.

Systemet skapades med en enkel apparat - lite fluorescerande färgämne och böjda speglar. Detta betyder att förutom att vara användbar i studiet av kvantegenskaper, systemet skulle kunna användas för att skapa och manipulera speciella ljustillstånd.

Medförfattare Dr Florian Mintert, från Institutionen för fysik vid Imperial, sa:"Med det bästa av två distinkta världar - fysiken för fasövergångar och tillgängligheten för små system - har denna ovanliga ljuskälla potentiella tillämpningar inom mätning eller avkänning."