量子世界でも有​​効な物理効果

20年2023月XNUMX日（Nanowerkニュース) ボン大学の物理学者は、統計物理学の重要な定理がいわゆる「ボーズ・アインシュタイン凝縮体」に当てはまることを実験的に証明しました。 彼らの結果により、量子「超粒子」の特定の特性を測定し、他の方法では観察が困難なシステム特性を推定することが可能になりました。 この研究は現在、 Physical Review Lettersに (「光子のボーズ・アインシュタイン凝縮体のゆらぎと散逸の関係」）。 目の前に未知の液体が入った容器があるとします。 あなたの目標は、その中の粒子 (原子または分子) が熱エネルギーのためにランダムに前後に移動する量を調べることです。 しかし、「ブラウン運動」と呼ばれる位置のゆらぎを可視化できる顕微鏡はありません。 まったく必要ないことがわかりました。オブジェクトをひもに結び付けて、液体を通して引っ張ることもできます。 力を加えなければならないほど、液体の​​粘性が高くなります。 また、粘性が高いほど、液体中の粒子の平均的な位置の変化が少なくなります。 したがって、特定の温度での粘度を使用して、変動の程度を予測できます。 この基本的な関係を説明する物理法則は、変動散逸定理です。 簡単に言えば、システムを外部から摂動させるために加える必要がある力が大きければ大きいほど、放っておくとランダムに (統計的に) 変動することも少なくなります。 ボン大学応用物理学研究所の Julian Schmitt 博士は、次のように説明しています。 光子 (緑) は色素分子 (赤) に「飲み込まれ」、後で再び「吐き出され」ます。 この可能性が高いほど、光子数の変動が大きくなります。 (画像: J. Schmitt、ボン大学)

何千もの光の粒子からなる「スーパーフォトン」

ボーズ・アインシュタイン凝縮は、量子力学的効果によって発生する可能性がある物質のエキゾチックな形態です。特定の条件下では、原子、分子、または光子 (光を構成する粒子) でさえ、粒子が区別できなくなります。 何百、何千ものそれらが合体して、単一の「超粒子」、つまりボース・アインシュタイン凝縮体 (BEC) になります。 有限温度の液体では、分子はランダムに前後に動きます。 液体が暖かいほど、これらの熱変動はより顕著になります。 ボーズ・アインシュタイン凝縮も変動する可能性があります。凝縮粒子の数は異なります。 そして、この変動も温度の上昇とともに増加します。 「変動散逸定理が BEC に適用される場合、粒子数の変動が大きいほど、外部摂動に敏感に反応するはずです」と Schmitt は強調します。 「残念ながら、通常研究されている極低温の原子ガス中の BEC の数の変動は、この関係をテストするには小さすぎます。」 しかし、シュミットがジュニア研究グループのリーダーであるマーティン・ワイツ教授の研究グループは、光子でできたボーズ・アインシュタイン凝縮体を扱っています。 また、このシステムについては、制限は適用されません。 「私たちは、BEC の光子を色素分子と相互作用させます」と、ERC スターティング グラントとして知られる欧州連合の若い科学者に贈られる非常に寄付された賞を最近受賞した物理学者は説明します。 光子が色素分子と相互作用するとき、分子が光子を「飲み込む」ことが頻繁に起こります。 これにより色素はエネルギー的に励起される。 その後、光子を「吐き出す」ことによって、この励起エネルギーを放出することができます。

低エネルギーの光子が飲み込まれる頻度が低い

「色素分子との接触により、BEC の光子数は大きな統計的変動を示します」と物理学者は言います。 さらに、研究者はこの変化の強さを正確に制御できます。実験では、光子は 4 つの鏡の間に閉じ込められ、ピンポン ゲームのように反射されます。 ミラー間の距離は変更できます。 大きくなるほど、光子のエネルギーは低くなります。 低エネルギーの光子は色素分子を励起する可能性が低いため (吸収される頻度が低いため)、凝縮された光粒子の数の変動ははるかに少なくなります。 ボンの物理学者は現在、変動の程度が BEC の「応答」にどのように関連しているかを調査しました。 変動消散定理が成り立つ場合、この感度は変動が減少するにつれて減少するはずです。 「実際、私たちの実験でこの効果を確認することができました。量子コンピューティングのための光。」 液体の場合と同様に、より簡単に測定できる巨視的な応答パラメーターから、ボース・アインシュタイン凝縮体の微視的な特性を推測することが可能になりました。 「これにより、複雑なフォトニック システムでの正確な温度決定など、新しいアプリケーションへの道が開かれます」と Schmitt 氏は言います。

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php