Fysisk effekt gælder også i kvanteverdenen

20. januar 2023 (Nanowerk nyheder) Fysikere ved universitetet i Bonn har eksperimentelt bevist, at en vigtig teorem inden for statistisk fysik gælder for såkaldte "Bose-Einstein-kondensater." Deres resultater gør det nu muligt at måle visse egenskaber ved kvante-"superpartiklerne" og udlede systemkarakteristika, som ellers ville være svære at observere. Undersøgelsen er nu offentliggjort i Physical Review Letters ("Fluktuations-spredningsforhold for et Bose-Einstein-kondensat af fotoner"). Antag, at der foran dig er en beholder fyldt med en ukendt væske. Dit mål er at finde ud af, hvor meget partiklerne i det (atomer eller molekyler) bevæger sig frem og tilbage tilfældigt på grund af deres termiske energi. Du har dog ikke et mikroskop, hvormed du kan visualisere disse positionsudsving kendt som "Brownsk bevægelse". Det viser sig, at du slet ikke har brug for det: Du kan også blot binde en genstand til en snor og trække den gennem væsken. Jo mere kraft du skal bruge, jo mere tyktflydende er din væske. Og jo mere viskøs den er, jo mindre ændrer partiklerne i væsken deres position i gennemsnit. Viskositeten ved en given temperatur kan derfor bruges til at forudsige omfanget af fluktuationerne. Den fysiske lov, der beskriver dette grundlæggende forhold, er fluktuations-dissipations-sætningen. Med enkle ord hedder det: Jo større kraft du skal bruge for at forstyrre et system udefra, jo mindre vil det også svinge tilfældigt (dvs. statistisk) af sig selv, hvis du lader det være. "Vi har nu bekræftet gyldigheden af ​​teoremet for en særlig gruppe af kvantesystemer for første gang: Bose-Einstein-kondensaterne," forklarer Dr. Julian Schmitt fra Institut for Anvendt Fysik ved Universitetet i Bonn. Fotoner (grønne) kan "sluges" af farvestofmolekylerne (røde) og senere "spyttes ud" igen. Jo mere sandsynligt dette er, jo mere svinger fotontallet. (Billede: J. Schmitt, Bonn Universitet)

"Superfotoner" lavet af tusindvis af lyspartikler

Bose-Einstein-kondensater er eksotiske former for stof, der kan opstå på grund af en kvantemekanisk effekt: Under visse forhold bliver partikler, det være sig atomer, molekyler eller endda fotoner (partikler, der udgør lys), umulige at skelne. Mange hundrede eller tusinder af dem smelter sammen til en enkelt "superpartikel" - Bose-Einstein-kondensatet (BEC). I en væske ved begrænset temperatur bevæger molekyler sig frem og tilbage tilfældigt. Jo varmere væsken er, jo mere udtalte er disse termiske udsving. Bose-Einstein-kondensater kan også svinge: Antallet af kondenserede partikler varierer. Og denne udsving stiger også med stigende temperatur. "Hvis fluktuations-dissipation-sætningen gælder for BEC'er, jo større fluktuation i deres partikelantal, jo mere følsomt bør de reagere på en ekstern forstyrrelse," understreger Schmitt. "Desværre er antallet af udsving i de normalt studerede BEC'er i ultrakolde atomare gasser for små til at teste dette forhold." Forskergruppen af ​​prof. Dr. Martin Weitz, hvor Schmitt er en junior forskergruppeleder, arbejder dog med Bose-Einstein-kondensater lavet af fotoner. Og for dette system gælder begrænsningen ikke. "Vi får fotonerne i vores BEC'er til at interagere med farvestofmolekyler," forklarer fysikeren, som for nylig vandt en højt begavet pris til unge forskere fra EU, kendt som en ERC Starting Grant. Når fotoner interagerer med farvestofmolekyler, sker det ofte, at et molekyle "sluger" en foton. Farvestoffet bliver derved energisk ophidset. Den kan senere frigive denne excitationsenergi ved at "spytte" en foton ud.

Lavenergifotoner sluges sjældnere

"På grund af kontakten til farvestofmolekylerne viser antallet af fotoner i vores BEC'er store statistiske udsving," siger fysikeren. Derudover kan forskerne præcist kontrollere styrken af ​​denne variation: I eksperimentet er fotonerne fanget mellem to spejle, hvor de reflekteres frem og tilbage på en ping-pong-leg måde. Afstanden mellem spejlene kan varieres. Jo større den bliver, jo lavere er fotonernes energi. Da lavenergifotoner er mindre tilbøjelige til at excitere et farvestofmolekyle (så de sluges sjældnere), svinger antallet af kondenserede lyspartikler nu meget mindre. Bonn-fysikerne undersøgte nu, hvordan omfanget af fluktuationen er relateret til BEC's "respons". Hvis fluktuations-dissipationssætningen holder, bør denne følsomhed falde, efterhånden som fluktuationen aftager. "Faktisk var vi i stand til at bekræfte denne effekt i vores eksperimenter," understreger Schmitt, som også er medlem af det transdisciplinære forskningsområde (TRA) "Matter" ved universitetet i Bonn og Cluster of Excellence "ML4Q - Matter and Lys til Quantum Computing." Som med væsker er det nu muligt at udlede de mikroskopiske egenskaber af Bose-Einstein-kondensat ud fra makroskopiske responsparametre, der lettere kan måles. "Dette åbner en vej til nye applikationer, såsom den præcise temperaturbestemmelse i komplekse fotoniske systemer," siger Schmitt.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php