Fysisk effekt gäller även i kvantvärlden

20 jan 2023 (Nanowerk Nyheter) Fysiker vid universitetet i Bonn har experimentellt bevisat att ett viktigt teorem inom statistisk fysik gäller så kallade "Bose-Einstein-kondensat." Deras resultat gör det nu möjligt att mäta vissa egenskaper hos kvant-"superpartiklarna" och härleda systemegenskaper som annars skulle vara svåra att observera. Studien har nu publicerats i Fysiska granskningsbrev ("Fluktuations-förlustrelation för ett Bose-Einstein-kondensat av fotoner"). Anta att det framför dig finns en behållare fylld med en okänd vätska. Ditt mål är att ta reda på hur mycket partiklarna i den (atomer eller molekyler) rör sig fram och tillbaka slumpmässigt på grund av deras värmeenergi. Du har dock inte ett mikroskop med vilket du kan visualisera dessa positionsfluktuationer som kallas "brownska rörelser". Det visar sig att du inte behöver det alls: Du kan också helt enkelt knyta ett föremål till ett snöre och dra det genom vätskan. Ju mer kraft du måste applicera, desto mer trögflytande blir din vätska. Och ju mer viskös den är, desto mindre ändrar partiklarna i vätskan sin position i genomsnitt. Viskositeten vid en given temperatur kan därför användas för att förutsäga omfattningen av fluktuationerna. Den fysiska lag som beskriver detta grundläggande förhållande är fluktuations-förlustsatsen. I enkla ord står det: Ju större kraft du behöver använda för att störa ett system utifrån, desto mindre kommer det också att fluktuera slumpmässigt (dvs statistiskt) av sig självt om du låter det vara ifred. "Vi har nu bekräftat giltigheten av satsen för en speciell grupp av kvantsystem för första gången: Bose-Einstein kondensat", förklarar Dr Julian Schmitt från Institutet för tillämpad fysik vid universitetet i Bonn. Fotoner (gröna) kan "sväljas" av färgämnesmolekylerna (röda) och senare "spottas ut" igen. Ju mer sannolikt detta är, desto mer fluktuerar fotontalet. (Bild: J. Schmitt, universitetet i Bonn)

"Superfotoner" gjorda av tusentals ljuspartiklar

Bose-Einstein-kondensat är exotiska former av materia som kan uppstå på grund av en kvantmekanisk effekt: Under vissa förhållanden blir partiklar, vare sig det är atomer, molekyler eller till och med fotoner (partiklar som utgör ljus), omöjliga att urskilja. Många hundra eller tusentals av dem smälter samman till en enda "superpartikel" - Bose-Einstein-kondensatet (BEC). I en vätska vid ändlig temperatur rör sig molekyler fram och tillbaka slumpmässigt. Ju varmare vätskan är, desto mer uttalade är dessa termiska fluktuationer. Bose-Einstein-kondensat kan också fluktuera: Antalet kondenserade partiklar varierar. Och denna fluktuation ökar också med stigande temperatur. "Om fluktuationsförlustsatsen gäller för BEC, ju större fluktuation i deras partikelantal, desto mer känsligt bör de reagera på en extern störning", betonar Schmitt. "Tyvärr är antalet fluktuationer i de vanligtvis studerade BEC:erna i ultrakalla atomgaser för små för att testa detta förhållande." Forskargruppen till prof. Dr. Martin Weitz, inom vilken Schmitt är en junior forskargruppsledare, arbetar dock med Bose-Einstein-kondensat gjorda av fotoner. Och för detta system gäller inte begränsningen. "Vi får fotonerna i våra BEC att interagera med färgämnesmolekyler", förklarar fysikern, som nyligen vann ett högt begåvat pris för unga forskare från Europeiska unionen, känt som ett ERC Starting Grant. När fotoner interagerar med färgämnesmolekyler händer det ofta att en molekyl "sväljer" en foton. Färgen blir därigenom energiskt exciterad. Den kan senare frigöra denna excitationsenergi genom att "spotta ut" en foton.

Lågenergifotoner sväljs mer sällan

"På grund av kontakten med färgämnesmolekylerna visar antalet fotoner i våra BEC stora statistiska fluktuationer", säger fysikern. Dessutom kan forskarna exakt kontrollera styrkan i denna variation: I experimentet fångas fotonerna mellan två speglar, där de reflekteras fram och tillbaka på ett pingisspelssätt. Avståndet mellan speglarna kan varieras. Ju större den blir, desto lägre energi har fotonerna. Eftersom lågenergifotoner är mindre benägna att excitera en färgämnesmolekyl (så att de sväljs mer sällan), fluktuerar nu antalet kondenserade ljuspartiklar mycket mindre. Bonn-fysikerna undersökte nu hur omfattningen av fluktuationen är relaterad till BEC:s "svar". Om fluktuations-förlustsatsen håller, bör denna känslighet minska när fluktuationen minskar. "Vi kunde faktiskt bekräfta denna effekt i våra experiment", betonar Schmitt, som också är medlem i det transdisciplinära forskningsområdet (TRA) "Matter" vid universitetet i Bonn och Cluster of Excellence "ML4Q - Matter and Ljus för Quantum Computing.” Precis som med vätskor är det nu möjligt att sluta sig till de mikroskopiska egenskaperna hos Bose-Einstein-kondensat från makroskopiska svarsparametrar som lättare kan mätas. "Detta öppnar en väg för nya tillämpningar, som den exakta temperaturbestämningen i komplexa fotoniska system", säger Schmitt.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php