För cirka 10 år sedan, forskare vid universitetet i Bonn producerade ett extremt aggregerat fotontillstånd, en enda "superfoton" som består av tusentals individuella ljuspartiklar, och presenterade en helt ny ljuskälla. Staten kallas ett optiskt Bose-Einstein-kondensat och har fängslat många fysiker sedan dess, eftersom denna exotiska värld av ljuspartiklar är hem för sina alldeles egna fysiska fenomen. Forskare under ledning av prof. Dr. Martin Weitz, som upptäckte superfotonen, och teoretisk fysiker Prof. Dr Johann Kroha rapporterar nu en ny observation:en så kallad överdämpad fas, en tidigare okänd fasövergång inom det optiska Bose-Einstein-kondensatet. Studien har publicerats i tidskriften Vetenskap .

Bose-Einstein-kondensatet är ett extremt fysiskt tillstånd som vanligtvis bara uppstår vid mycket låga temperaturer. Partiklarna i detta system är inte längre urskiljbara och är övervägande i samma kvantmekaniska tillstånd; med andra ord, de beter sig som en enda jätte "superpartikel". Tillståndet kan därför beskrivas med en enda vågfunktion.

År 2010, forskare under ledning av Martin Weitz lyckades för första gången skapa ett Bose-Einstein-kondensat från ljuspartiklar (fotoner). Deras speciella system är fortfarande i bruk idag:Fysiker fångar ljuspartiklar i en resonator gjord av två böjda speglar på drygt en mikrometers avstånd som reflekterar en snabbt fram- och återgående ljusstråle. Utrymmet är fyllt med en flytande färglösning, som tjänar till att kyla ner fotonerna. Färgämnesmolekylerna "sväljer" fotonerna och spottar sedan ut dem igen, vilket bringar ljuspartiklarna till färgämneslösningens temperatur – motsvarande rumstemperatur. Systemet gör det möjligt att kyla lätta partiklar eftersom deras naturliga egenskap är att lösas upp när de kyls.

Tydlig separation av två faser

En fasövergång är vad fysiker kallar övergången mellan vatten och is under frysning. Men hur sker den speciella fasövergången inom systemet av fångade ljuspartiklar? Forskarna förklarar det så här:De något genomskinliga speglarna gör att fotoner går förlorade och ersätts, skapar en icke-jämvikt som resulterar i att systemet inte antar en bestämd temperatur och sätts i svängning. Detta skapar en övergång mellan denna oscillerande fas och en dämpad fas. Dämpad innebär att vibrationens amplitud minskar.

"Den överdämpade fasen vi observerade motsvarar ett nytt tillstånd i ljusfältet, så att säga, " säger huvudförfattaren Fahri Emre Öztürk, en doktorand vid Institutet för tillämpad fysik vid universitetet i Bonn. Det speciella är att effekten av lasern vanligtvis inte separeras från Bose-Einstein-kondensatets effekt genom en fasövergång, och det finns ingen skarpt definierad gräns mellan de två staterna. Detta innebär att fysiker kontinuerligt kan röra sig fram och tillbaka mellan effekterna.

"Dock, i vårt experiment, det överdämpade tillståndet för det optiska Bose-Einstein-kondensatet separeras av en fasövergång från både det oscillerande tillståndet och en standardlaser, " säger studieledaren Prof. Dr. Martin Weitz. "Detta visar att det finns ett Bose-Einstein-kondensat, vilket verkligen är ett annat tillstånd än standardlasern. "Med andra ord, vi har att göra med två separata faser av det optiska Bose-Einstein-kondensatet, " han säger.

Forskarna planerar att använda sina resultat som grund för ytterligare studier för att söka efter nya tillstånd i ljusfältet i flera kopplade ljuskondensat, vilket också kan förekomma i systemet. "Om lämpliga kvantmekaniskt intrasslade tillstånd inträffar i kopplade ljuskondensat, detta kan vara intressant för att överföra kvantkrypterade meddelanden mellan flera deltagare, säger Fahri Emre Öztürk.