Forskare har skapat ett Bose-Einstein-kondensat med rekordhastighet, skapar materiens fascinerande fas på cirka 100 femtosekunder. För att få en uppfattning om hur snabbt det går, hundra femtosekunder jämfört med en sekund är proportionellt detsamma som en dag jämfört med universums ålder. Projektet var resultatet av ett samarbete mellan Aalto-universitetet och Östra Finlands universitet.

Bose-Einstein kondensation är ett kvantfenomen där ett stort antal partiklar börjar bete sig som om de vore en. Albert Einstein och Satyendra Nath Bose förutspådde detta fascinerande beteende i början av förra seklet. Många olika system, som gaser av alkaliatomer eller halvledare kopplade med ljus, har använts för att observera dessa kondensat. Ingen av dem kommer till, dock, lika snabbt som de finska forskarnas Bose-Einstein-kondensat.

Bose-Einstein-kondensat som består av ljus liknar lasrar och är särskilt lovande för informations- och kvantteknik. Informationsöverföringen av internet idag är beroende av ljusets höga hastighet. I princip, ljus kan också användas för att ge ultrasnabb beräkning med låg energiförbrukning, men för att uppnå detta krävs att man tänjer på gränserna för vad vi vet om ljusets interaktion med materia.

I vår vardagliga värld, vattenmolekyler av fuktig luft kondenserar på ytan av en kall ölburk. Liknande, i kvantvärlden, partiklar måste hitta ett sätt att förlora sin energi för att kondensera till lägsta möjliga energitillstånd. Denna process tar vanligtvis tid från tusentals sekunder till biljondelar av en sekund. Hur var det möjligt att bilda ett kondensat ännu snabbare?

"Efter att noggrant analyserat våra mätdata, vi insåg att energiavslappningen i vårt system är en mycket stimulerad process. Detta innebär att den effektiva interaktionen mellan fotoner, som leder till kondens, accelererar när antalet fotoner ökar. Ett sådant fenomen är nyckeln till snabbheten, " förklarar Aaro Väkeväinen som avslutade sin doktorsexamen med dessa resultat. En annan utmaning var att bevisa att kondens verkligen sker med rekordfart, eftersom även avancerade labbkameror saknar sådan tidsupplösning. "När vi pumpade in energi i molekylerna på 50 femtosekunder, kondensatet observerades. Men med 300 femtosekunders pumppuls såg vi det inte, vilket indikerade att kondensen måste utlösas ännu snabbare, säger doktoranden Antti Moilanen.

"Detta kondensat producerar en koherent ljusstråle som är 100 000 gånger ljusare än det första ytplasmonpolaritonkondensatet som vi observerade i en metall nanoroduppsättning för två år sedan, " kommenterar Akademiprofessor Päivi Törmä. Det stora antalet fotoner i strålen möjliggör tydlig observation av fördelningen av fotoner vid olika energier som förutspåddes av Bose och Einstein, som visas i figuren. "Ljusstyrkan på strålen gör det lättare att utforska nya områden av grundläggande forskning och tillämpningar med dessa kondensat, " fortsätter hon. En uppfinning som kom fram ur gruppens kondensatforskning har just beviljats ​​ett patent och kommer att utvecklas vidare.