Forskare vid universitetet i Bonn har skapat en gas av lätta partiklar som kan komprimeras extremt. Deras resultat bekräftar förutsägelserna från centrala teorier om kvantfysik. Fynden kan också visa vägen till nya typer av sensorer som kan mäta minutkrafter. Studien är publicerad i tidskriften Science .

Om du ansluter utloppet på en luftpump med fingret kan du fortfarande trycka ned dess kolv. Anledningen:Gaser är ganska lätta att komprimera – till skillnad från till exempel vätskor. Om pumpen innehöll vatten istället för luft skulle det vara i princip omöjligt att flytta kolven, även med den största ansträngningen.

Gaser består vanligtvis av atomer eller molekyler som virvlar mer eller mindre snabbt genom rymden. Det är ganska likt ljus:Dess minsta byggstenar är fotoner, som i något avseende beter sig som partiklar. Och dessa fotoner kan också behandlas som en gas, dock en som beter sig något ovanligt:​​Du kan komprimera den under vissa förhållanden med nästan ingen ansträngning. Det är åtminstone vad teorin förutspår.

Foton i spegelrutan

Forskare från Institutet för tillämpad fysik (IAP) vid universitetet i Bonn har nu visat just denna effekt i experiment för första gången. "För att göra detta lagrade vi ljuspartiklar i en liten låda gjord av speglar", förklarar Dr. Julian Schmitt från IAP, som är en huvudforskare i gruppen av Prof. Dr. Martin Weitz. "Ju fler fotoner vi lägger in där, desto tätare blev fotongasen."

Regeln är vanligtvis följande:Ju tätare en gas är, desto svårare är den att komprimera. Så är också fallet med den pluggade luftpumpen — till en början kan kolven tryckas ner mycket lätt, men någon gång kan den knappast flyttas längre, även om man använder mycket kraft. Bonn-experimenten var till en början lika:Ju fler fotoner de stoppade in i spegellådan, desto svårare blev det att komprimera gasen.

Men beteendet förändrades plötsligt vid en viss punkt:Så fort fotongasen överskred en specifik densitet kunde den plötsligt komprimeras med nästan inget motstånd. "Denna effekt är ett resultat av kvantmekanikens regler", förklarar Schmitt, som också är associerad medlem i Cluster of Excellence "Matter and Light for Quantum Computing" och projektledare i Transregio Collaborative Research Center 185. Anledningen:Ljuset partiklar uppvisar en "suddighet" - i enkla termer är deras placering något suddig. Eftersom de kommer mycket nära varandra vid höga densiteter börjar fotonerna överlappa varandra. Fysiker talar då också om en "kvantdegeneration" av gasen. Och det blir mycket lättare att komprimera en sådan kvantdegenererad gas.

Självorganiserade fotoner

Om överlappningen är tillräckligt stark smälter ljuspartiklarna samman och bildar en sorts superfoton, ett Bose-Einstein-kondensat. I mycket förenklade termer kan denna process jämföras med frysning av vatten:I flytande tillstånd är vattenmolekylerna oordnade; sedan, vid fryspunkten, bildas de första iskristallerna, som så småningom smälter samman till ett utsträckt, högordnat islager. "Ordensöar" bildas också strax före bildandet av Bose-Einstein-kondensatet, och de blir större och större med ytterligare tillskott av fotoner.

Kondensatet bildas först när dessa öar har växt så mycket att ordningen sträcker sig över hela spegellådan som innehåller fotonerna. Detta kan jämföras med en sjö där oberoende isflak slutligen har gått samman för att bilda en enhetlig yta. Naturligtvis kräver detta ett mycket större antal lätta partiklar i en förlängd låda jämfört med en liten. "Vi kunde visa detta samband i våra experiment", påpekar Schmitt.

För att skapa en gas med variabelt partikelantal och väldefinierad temperatur använder forskarna ett "värmebad":"Vi för in molekyler i spegellådan som kan absorbera fotonerna", förklarar Schmitt. "Därefter sänder de ut nya fotoner som i genomsnitt har molekylernas temperatur - i vårt fall strax under 300 Kelvin, vilket är ungefär rumstemperatur."

Forskarna var också tvungna att övervinna ett annat hinder:Fotongaser är vanligtvis inte jämnt täta – det finns mycket fler partiklar på vissa ställen än på andra. Detta beror på formen på fällan som de vanligtvis finns i. "Vi tog ett annat tillvägagångssätt i våra experiment", säger Erik Busley, första författare till publikationen. "Vi fångar fotonerna i en spegellåda med platt botten som vi skapade med en mikrostruktureringsmetod. Detta gjorde det möjligt för oss att skapa en homogen kvantgas av fotoner för första gången."

I framtiden kommer gasens kvantförstärkta kompressibilitet att möjliggöra forskning om nya sensorer som kan mäta små krafter. Förutom tekniska framtidsutsikter är resultaten också av stort intresse för grundforskning. + Utforska vidare

Fysiker delar irreversibelt fotoner genom att frysa dem i ett Bose-Einstein-kondensat