Fizični učinek velja tudi v kvantnem svetu

20. januarja 2023 (Nanowerk novice) Fiziki z Univerze v Bonnu so eksperimentalno dokazali, da pomemben izrek statistične fizike velja za tako imenovane »Bose-Einsteinove kondenzate«. Njihovi rezultati zdaj omogočajo merjenje določenih lastnosti kvantnih "superdelcev" in izpeljavo sistemskih značilnosti, ki bi jih sicer težko opazovali. Študija je zdaj objavljena v Pisni pregledi fizike ("Razmerje med nihanjem in disipacijo za Bose-Einsteinov kondenzat fotonov"). Recimo, da je pred vami posoda, napolnjena z neznano tekočino. Vaš cilj je ugotoviti, koliko se delci v njem (atomi ali molekule) naključno gibljejo naprej in nazaj zaradi svoje toplotne energije. Vendar nimate mikroskopa, s katerim bi lahko vizualizirali ta nihanja položaja, znana kot "Brownovo gibanje". Izkazalo se je, da tega sploh ne potrebujete: lahko tudi preprosto privežete predmet na vrvico in ga povlečete skozi tekočino. Več sile kot morate uporabiti, bolj viskozna je vaša tekočina. In bolj ko je viskozen, manj delcev v tekočini v povprečju spremeni svoj položaj. Viskoznost pri določeni temperaturi se torej lahko uporabi za napovedovanje obsega nihanj. Fizikalni zakon, ki opisuje to temeljno razmerje, je izrek o nihanju in disipaciji. Preprosto povedano pravi: Večjo kot je sila, ki jo morate uporabiti, da vznemirite sistem od zunaj, manj bo tudi sam naključno (tj. statistično) nihal, če ga pustite pri miru. "Zdaj smo prvič potrdili veljavnost teorema za posebno skupino kvantnih sistemov: Bose-Einsteinove kondenzate," pojasnjuje dr. Julian Schmitt z Inštituta za uporabno fiziko na Univerzi v Bonnu. Molekule barvila (rdeče) lahko "pogoltnejo" fotone (zeleno) in jih kasneje spet "izpljunejo". Bolj ko je to verjetno, bolj niha število fotonov. (Slika: J. Schmitt, Univerza v Bonnu)

"Super fotoni", sestavljeni iz tisočih svetlobnih delcev

Bose-Einsteinovi kondenzati so eksotične oblike snovi, ki lahko nastanejo zaradi kvantno mehanskega učinka: pod določenimi pogoji postanejo delci, bodisi atomi, molekule ali celo fotoni (delci, ki sestavljajo svetlobo), nerazločljivi. Več sto ali tisoče se jih združi v en sam »super delec« – Bose-Einsteinov kondenzat (BEC). V tekočini pri končni temperaturi se molekule naključno premikajo naprej in nazaj. Bolj ko je tekočina toplejša, bolj izrazita so ta toplotna nihanja. Bose-Einsteinovi kondenzati lahko tudi nihajo: število kondenziranih delcev se spreminja. In to nihanje se povečuje tudi z naraščanjem temperature. "Če izrek o nihanju in disipaciji velja za BEC, večja ko je nihanja v številu delcev, bolj občutljivi bi se morali odzvati na zunanjo motnjo," poudarja Schmitt. "Na žalost so številčna nihanja v običajno proučevanih BEC v ultrahladnih atomskih plinih premajhna, da bi preizkusili to razmerje." Raziskovalna skupina prof. dr. Martina Weitza, v kateri je Schmitt mlajši vodja raziskovalne skupine, pa dela z Bose-Einsteinovimi kondenzati iz fotonov. In za ta sistem omejitev ne velja. »Fotoni v naših BEC poskrbimo za interakcijo z molekulami barvil,« pojasnjuje fizik, ki je pred kratkim prejel visoko obdarjeno nagrado za mlade znanstvenike iz Evropske unije, znano kot ERC Starting Grant. Pri interakciji fotonov z molekulami barvila se pogosto zgodi, da molekula »pogoltne« foton. Barvilo se pri tem energijsko vzbudi. Kasneje lahko sprosti to energijo vzbujanja tako, da "izpljune" foton.

Nizkoenergijski fotoni se manj pogosto pogoltnejo

"Zaradi stika z molekulami barvila število fotonov v naših BEC kaže velika statistična nihanja," pravi fizik. Poleg tega lahko raziskovalci natančno nadzorujejo moč te variacije: v poskusu so fotoni ujeti med dve ogledali, kjer se odbijajo naprej in nazaj na način igre ping-pong. Razdalja med ogledali je lahko različna. Večji kot postane, manjša je energija fotonov. Ker je manj verjetno, da bodo nizkoenergijski fotoni vzbudili molekulo barvila (zato jih redkeje pogoltnejo), število kondenziranih svetlobnih delcev zdaj veliko manj niha. Bonnski fiziki so zdaj raziskali, kako je obseg nihanja povezan z "odzivom" BEC. Če izrek o nihanju in disipaciji velja, bi se morala ta občutljivost zmanjševati, ko se nihanje zmanjšuje. »Pravzaprav smo ta učinek lahko potrdili v naših poskusih,« poudarja Schmitt, ki je tudi član transdisciplinarnega raziskovalnega področja (TRA) »Matter« na Univerzi v Bonnu in grozda odličnosti »ML4Q – Matter and Svetloba za kvantno računalništvo.« Tako kot pri tekočinah je zdaj mogoče mikroskopske lastnosti Bose-Einsteinovih kondenzatov sklepati iz parametrov makroskopskega odziva, ki jih je mogoče lažje izmeriti. "To odpira pot do novih aplikacij, kot je natančno določanje temperature v kompleksnih fotonskih sistemih," pravi Schmitt.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php