Fysisk effekt også gyldig i kvanteverdenen

20. januar 2023 (Nanowerk Nyheter) Fysikere ved universitetet i Bonn har eksperimentelt bevist at et viktig teorem innen statistisk fysikk gjelder såkalte "Bose-Einstein-kondensater." Resultatene deres gjør det nå mulig å måle visse egenskaper til kvante-"superpartiklene" og utlede systemkarakteristikker som ellers ville vært vanskelig å observere. Studien er nå publisert i Physical Review Letters ("Fluktuasjons-spredningsforhold for et Bose-Einstein-kondensat av fotoner"). Anta at det foran deg er en beholder fylt med en ukjent væske. Målet ditt er å finne ut hvor mye partiklene i den (atomer eller molekyler) beveger seg frem og tilbake tilfeldig på grunn av deres termiske energi. Du har imidlertid ikke et mikroskop som du kan visualisere disse posisjonssvingningene med kjent som "brownsk bevegelse". Det viser seg at du ikke trenger det i det hele tatt: Du kan også ganske enkelt knytte en gjenstand til en snor og trekke den gjennom væsken. Jo mer kraft du må bruke, jo mer tyktflytende væske. Og jo mer viskøs den er, jo mindre endrer partiklene i væsken sin posisjon i gjennomsnitt. Viskositeten ved en gitt temperatur kan derfor brukes til å forutsi omfanget av svingningene. Den fysiske loven som beskriver dette grunnleggende forholdet er fluktuasjons-spredningsteoremet. Med enkle ord heter det: Jo større kraft du trenger å bruke for å forstyrre et system utenfra, jo mindre vil det også svinge tilfeldig (dvs. statistisk) av seg selv hvis du lar det være. "Vi har nå bekreftet gyldigheten av teoremet for en spesiell gruppe kvantesystemer for første gang: Bose-Einstein-kondensatene," forklarer Dr. Julian Schmitt fra Institute of Applied Physics ved Universitetet i Bonn. Fotoner (grønne) kan "svelges" av fargestoffmolekylene (røde) og senere "spyttes ut" igjen. Jo mer sannsynlig dette er, jo mer svinger fotontallet. (Bilde: J. Schmitt, Universitetet i Bonn)

"Superfotoner" laget av tusenvis av lyspartikler

Bose-Einstein-kondensater er eksotiske former for materie som kan oppstå på grunn av en kvantemekanisk effekt: Under visse forhold blir partikler, det være seg atomer, molekyler eller til og med fotoner (partikler som utgjør lys), umulig å skille. Mange hundre eller tusenvis av dem smelter sammen til en enkelt "superpartikkel" - Bose-Einstein-kondensatet (BEC). I en væske ved begrenset temperatur beveger molekyler seg frem og tilbake tilfeldig. Jo varmere væsken er, jo mer uttalte er disse termiske svingningene. Bose-Einstein-kondensater kan også svinge: Antallet kondenserte partikler varierer. Og denne svingningen øker også med stigende temperatur. "Hvis fluktuasjonsspredningsteoremet gjelder for BEC-er, jo større fluktuasjon i partikkelnummeret deres, desto mer følsomt bør de reagere på en ekstern forstyrrelse," understreker Schmitt. "Dessverre er antallet svingninger i de vanligvis studerte BEC-ene i ultrakalde atomgasser for små til å teste dette forholdet." Forskningsgruppen til prof. Dr. Martin Weitz, der Schmitt er en junior forskergruppeleder, jobber imidlertid med Bose-Einstein-kondensater laget av fotoner. Og for dette systemet gjelder ikke begrensningen. "Vi får fotonene i BECene våre til å samhandle med fargestoffmolekyler," forklarer fysikeren, som nylig vant en høyt begavet pris for unge forskere fra EU, kjent som en ERC Starting Grant. Når fotoner samhandler med fargestoffmolekyler, skjer det ofte at et molekyl "svelger" et foton. Fargestoffet blir dermed energisk opphisset. Den kan senere frigjøre denne eksitasjonsenergien ved å "spytte ut" et foton.

Lavenergifotoner svelges sjeldnere

"På grunn av kontakten med fargestoffmolekylene, viser antall fotoner i våre BEC-er store statistiske svingninger," sier fysikeren. I tillegg kan forskerne nøyaktig kontrollere styrken til denne variasjonen: I eksperimentet blir fotonene fanget mellom to speil, hvor de reflekteres frem og tilbake på en ping-pong-spillmåte. Avstanden mellom speilene kan varieres. Jo større den blir, jo lavere energi har fotonene. Siden lavenergifotoner er mindre sannsynlig å eksitere et fargestoffmolekyl (så de svelges sjeldnere), svinger antallet kondenserte lyspartikler nå mye mindre. Bonn-fysikerne undersøkte nå hvordan omfanget av fluktuasjonen er relatert til "responsen" til BEC. Hvis fluktuasjons-dissipasjons-teoremet holder, bør denne følsomheten avta etter hvert som fluktuasjonen avtar. "Faktisk var vi i stand til å bekrefte denne effekten i våre eksperimenter," understreker Schmitt, som også er medlem av Transdisciplinary Research Area (TRA) "Matter" ved Universitetet i Bonn og Cluster of Excellence "ML4Q - Matter and Lys for kvanteberegning." Som med væsker er det nå mulig å utlede de mikroskopiske egenskapene til Bose-Einstein-kondensatene fra makroskopiske responsparametere som lettere kan måles. "Dette åpner en vei for nye applikasjoner, for eksempel nøyaktig temperaturbestemmelse i komplekse fotoniske systemer," sier Schmitt.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php