A Bose-Einstein-elmélettel egydimenziós gázzá alakították a fényt

A kulcs a Bose-Einstein kondenzátum, amely hihetetlen formában mutatta meg a látható fényt.

A „Bose-Einstein-kondenzátum” (BEC) nevű anyagállapot az abszolút nulla fok körül alakulhat ki, és először Albert Einstein feltételezte Satyendra Nath Bose elméleti fizikus munkája alapján. Amikor bozonokból – szubatomi erőt hordozó részecskékből – álló gázt az abszolút nullához közeli hőmérsékletre hűtenek, egyetlen kvantumobjektumot alkotnak, amelyet gyakran hasonlítanak ahhoz, mintha egyetlen atomként viselkedne.

„A BEC hullámfüggvénye megfelel egy makroszkopikus kvantumobjektum alapállapotának” – magyarázza a témával foglalkozó egyik tanulmány. „Más szóval, egy BEC-ben lévő atomok gyűjteménye egyetlen kvantum entitásként viselkedik”.

A Bose-Einstein-kondenzátum furcsa természete

Ebben a furcsa anyagállapotban, amelyet először 1995-ben hoztak létre a valóságban, makroszkopikus betekintést nyerhetünk a kvantum viselkedésébe. Rengeteg furcsa tulajdonsággal rendelkezik, többek között nulla viszkozitással, azaz a részecskék közti összetartással. Ha egy pohárba teszel belőle, akkor fel fog kúszni a pohár oldalán. Olyan örvényeket képes fenntartani, amelyekkel analóg fekete lyukakat lehet létrehozni, és a szupernóvához hasonló módon felrobban, amit bosenovának nevezünk.

Bármiből, ami engedelmeskedik a Bose-Einstein-statisztikának, BEC-et lehet létrehozni. Ez bozonokkal könnyebb, bár létrehozható fermionpárokkal is. A fotonok engedelmeskednek a Bose-Einstein-statisztikának, és így mindenféle bonyolult párosítás nélkül is BEC-vé alakíthatók.

És a gyakorlatban?

Az új, Nature Physics folyóiratban megjelent tanulmányban a Bonni Egyetem és a németországi Kaiserslautern-Landau Egyetem csapata éppen ezt tette, bár azzal a további bonyodalommal, hogy a kondenzátumot egy és két dimenzióban is létrehozták.

„Az ilyen típusú gázok létrehozásához sok fotont kell koncentrálnunk egy szűk térben, és egyszerre kell hűtenünk őket” – magyarázta Dr. Frank Vewinger, az Alkalmazott Fizikai Intézet munkatársa egy közleményben.

Ehhez a csapat egy miniatűr, fényvisszaverő edényt töltött meg festékoldattal, majd lézerrel gerjesztette. Mivel nem volt hová menniük, a fényfotonok addig pattogtak a falakról, amíg össze nem ütköztek a festékmolekulákkal. Ezek az ütközések hűtötték le a fotonokat, míg végül a fotongáz besűrűsödött. A tartály felületének megváltoztatásával a csapat képes volt a lehűlt fotonokat egy vagy két dimenzióban csapdába ejteni.

Illusztráció: depositohotos.com

„Képesek voltunk egy átlátszó polimert alkalmazni a fényvisszaverő felületeken, hogy mikroszkopikusan kis kiemelkedéseket hozzunk létre” – magyarázta Julian Schulz, a Kaiserslautern-Landaui Egyetem munkatársa. „Ezek a kiemelkedések lehetővé teszik számunkra, hogy a fotonokat egy vagy két dimenzióban csapdába ejtsük és sűrítsük”.

„Ezek a polimerek úgy viselkednek, mint egyfajta ereszcsatorna, de ebben az esetben a fény számára” – tette hozzá Kirankumar Karkihalli Umesh vezető szerző. „Minél keskenyebb ez az ereszcsatorna, annál egydimenziósabban viselkedik a gáz”.

A dimenziók közti különbség

Míg a hagyományos kétdimenziós BEC-ek önmagukban is elég érdekesek, a csapat képes volt tanulmányozni a gázt egy dimenzióban és két dimenzióban, valamint a két dimenzió közötti átmenetet, írja az IFLScience.

„A dolgok egy kicsit másképp alakulnak, ha kétdimenziós helyett egydimenziós gázt hozunk létre” – magyarázza Vewinger. „A fotongázokban úgynevezett termikus fluktuációk zajlanak, de ezek két dimenzióban olyan kicsik, hogy nincs igazi hatásuk. Egy dimenzióban azonban ezek az ingadozások – képletesen szólva – nagy hullámokat vethetnek”.”

Ezek a hőmérsékleti fluktuációk egy dimenzióban azt jelentik, hogy az egész Bose-Einstein-kondenzátumban a különböző régiók különbözőképpen viselkednek, mint egy degenerált kvantumgáz.

„Most először tudtuk megvizsgálni ezt a viselkedést a kétdimenziósból az egydimenziós fotongázba való átmenetnél” – tette hozzá Vewinger. A csapat felfedezte, hogy bár a kétdimenziós BEC-ek meghatározott, az abszolút nullához közelítő hőmérsékleten lépnek fel – mint ahogy a víz 0°C-on jéggé alakul át -, az egydimenziós fotongázok esetében nem volt pontos kondenzációs pont.”

Ez is érdekelhet:

• Jégcső: vigyázz „a halál jeges ujjaival” a sarkvidéken
• Miért olyan gyakori a Fibonacci-sorozat a természetben?

Kiemelt kép: depositphotos.com