Efekt fizyczny ważny również w świecie kwantowym

20 sty 2023 (Wiadomości Nanowerk) Fizycy z Uniwersytetu w Bonn eksperymentalnie udowodnili, że ważne twierdzenie fizyki statystycznej odnosi się do tak zwanych „kondensatów Bosego-Einsteina”. Ich wyniki umożliwiają teraz zmierzenie pewnych właściwości kwantowych „supercząstek” i wydedukowanie charakterystyk systemu, które w innym przypadku byłyby trudne do zaobserwowania. Badanie zostało już opublikowane w Physical Review Letters („Relacja fluktuacja-dyssypacja dla kondensatu fotonów Bosego-Einsteina”). Załóżmy, że przed tobą znajduje się pojemnik wypełniony nieznanym płynem. Twoim celem jest dowiedzieć się, o ile zawarte w nim cząsteczki (atomy lub cząsteczki) poruszają się losowo tam iz powrotem ze względu na ich energię cieplną. Jednak nie masz mikroskopu, za pomocą którego mógłbyś zwizualizować te fluktuacje pozycji, znane jako „ruchy Browna”. Okazuje się, że wcale tego nie potrzebujesz: możesz też po prostu przywiązać przedmiot do sznurka i przeciągnąć go przez płyn. Im więcej siły musisz zastosować, tym bardziej lepki jest twój płyn. A im bardziej jest lepka, tym mniej cząstek w cieczy średnio zmienia swoje położenie. Lepkość w danej temperaturze może być zatem wykorzystana do przewidywania zakresu fluktuacji. Prawem fizycznym opisującym tę fundamentalną zależność jest twierdzenie o fluktuacji i rozproszeniu. W prostych słowach stwierdza: Im większą siłę trzeba zastosować, aby zakłócić system z zewnątrz, tym mniej będzie on również wahał się przypadkowo (tj. statystycznie), jeśli zostawi się go w spokoju. „Po raz pierwszy potwierdziliśmy słuszność twierdzenia dla specjalnej grupy układów kwantowych: kondensatów Bosego-Einsteina”, wyjaśnia dr Julian Schmitt z Instytutu Fizyki Stosowanej Uniwersytetu w Bonn. Fotony (zielone) mogą zostać „połknięte” przez cząsteczki barwnika (czerwone), a później ponownie „wyplute”. Im bardziej jest to prawdopodobne, tym bardziej zmienia się liczba fotonów. (Zdjęcie: J. Schmitt, Uniwersytet w Bonn)

„Superfotony” złożone z tysięcy cząstek światła

Kondensaty Bosego-Einsteina to egzotyczne formy materii, które mogą powstać w wyniku efektu mechaniki kwantowej: w pewnych warunkach cząstki, czy to atomy, cząsteczki, a nawet fotony (cząstki tworzące światło), stają się nie do odróżnienia. Wiele setek lub tysięcy z nich łączy się w jedną „supercząstkę” – kondensat Bosego-Einsteina (BEC). W cieczy o skończonej temperaturze cząsteczki poruszają się losowo tam iz powrotem. Im cieplejsza ciecz, tym wyraźniejsze są te fluktuacje termiczne. Kondensaty Bosego-Einsteina mogą również ulegać fluktuacjom: liczba skondensowanych cząstek jest różna. Ta fluktuacja również wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. „Jeśli twierdzenie o fluktuacji i rozpraszaniu ma zastosowanie do BEC, to im większa fluktuacja liczby ich cząstek, tym bardziej powinny one reagować na zewnętrzne zakłócenia” – podkreśla Schmitt. „Niestety fluktuacje liczby zwykle badanych BEC w ultrazimnych gazach atomowych są zbyt małe, aby przetestować tę zależność”. Jednak grupa badawcza prof. dr. Martina Weitza, w ramach której Schmitt jest młodszym liderem grupy badawczej, pracuje z kondensatami Bosego-Einsteina zbudowanymi z fotonów. W przypadku tego systemu ograniczenie nie ma zastosowania. „Sprawiamy, że fotony w naszych BEC wchodzą w interakcję z cząsteczkami barwnika”, wyjaśnia fizyk, który niedawno zdobył wysoko ufundowaną nagrodę dla młodych naukowców z Unii Europejskiej, znaną jako ERC Starting Grant. Kiedy fotony oddziałują z cząsteczkami barwnika, często zdarza się, że cząsteczka „połyka” foton. W ten sposób barwnik zostaje wzbudzony energetycznie. Może później uwolnić tę energię wzbudzenia, „wypluwając” foton.

Fotony niskoenergetyczne są połykane rzadziej

„Ze względu na kontakt z cząsteczkami barwnika liczba fotonów w naszych BEC wykazuje duże wahania statystyczne” – mówi fizyk. Ponadto naukowcy mogą precyzyjnie kontrolować siłę tej zmienności: w eksperymencie fotony są uwięzione między dwoma lustrami, gdzie są odbijane tam iz powrotem w sposób podobny do gry w ping-ponga. Odległość między lustrami może być różna. Im większy, tym mniejsza energia fotonów. Ponieważ fotony o niskiej energii z mniejszym prawdopodobieństwem wzbudzą cząsteczkę barwnika (więc są rzadziej połykane), liczba skondensowanych cząstek światła waha się teraz znacznie mniej. Fizycy z Bonn zbadali teraz, w jaki sposób zakres fluktuacji jest powiązany z „reakcją” BEC. Jeśli twierdzenie o fluktuacji-dyssypacji jest spełnione, czułość ta powinna maleć wraz ze spadkiem fluktuacji. „W rzeczywistości byliśmy w stanie potwierdzić ten efekt w naszych eksperymentach”, podkreśla Schmitt, który jest także członkiem Transdyscyplinarnej Przestrzeni Badawczej (TRA) „Materia” na Uniwersytecie w Bonn oraz Klastra Doskonałości „ML4Q – Materia i Światło dla komputerów kwantowych”. Podobnie jak w przypadku cieczy, można teraz wywnioskować mikroskopowe właściwości kondensatów Bosego-Einsteina na podstawie makroskopowych parametrów reakcji, które można łatwiej zmierzyć. „Otwiera to drogę do nowych zastosowań, takich jak precyzyjne określanie temperatury w złożonych systemach fotonicznych”, mówi Schmitt.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php