Фізичний ефект також діє в квантовому світі

20 січня 2023 (Новини Nanowerk) Фізики з Боннського університету експериментально довели, що важлива теорема статистичної фізики застосовна до так званих «конденсатів Бозе-Ейнштейна». Їх результати тепер дозволяють виміряти певні властивості квантових «суперчастинок» і вивести характеристики системи, які інакше було б важко спостерігати. Зараз дослідження опубліковано в Physical Review Letters, («Флуктуаційно-дисипаційне співвідношення для Бозе-Ейнштейнового конденсату фотонів»). Припустимо, перед вами стоїть ємність, наповнена невідомою рідиною. Ваша мета — дізнатися, наскільки частинки в ньому (атоми або молекули) безладно рухаються вперед і назад завдяки своїй тепловій енергії. Однак у вас немає мікроскопа, за допомогою якого ви могли б візуалізувати ці коливання положення, відомі як «броунівський рух». Виявляється, вам це зовсім не потрібно: ви також можете просто прив'язати предмет до мотузки і протягнути його через рідину. Чим більшу силу потрібно застосувати, тим в’язкіша рідина. І чим вона в’язкіша, тим менше в середньому частинок рідини змінюють своє положення. Таким чином, в’язкість при даній температурі може бути використана для прогнозування ступеня коливань. Фізичний закон, який описує цю фундаментальну залежність, є теорема флуктуації-розсіювання. Простими словами, це стверджує: чим більшу силу потрібно застосувати, щоб збурити систему ззовні, тим менше вона буде також випадково коливатися (тобто статистично) самостійно, якщо залишити її в спокої. «Тепер ми вперше підтвердили справедливість теореми для особливої ​​групи квантових систем: конденсатів Бозе-Ейнштейна», — пояснює доктор Джуліан Шмітт з Інституту прикладної фізики Боннського університету. Фотони (зелений) можуть бути «проковтнуті» молекулами барвника (червоний), а потім знову «виплюнути». Чим імовірніше це, тим більше коливається кількість фотонів. (Зображення: Дж. Шмітт, Боннський університет)

«Суперфотони», що складаються з тисяч легких частинок

Конденсати Бозе-Ейнштейна — це екзотичні форми матерії, які можуть виникати внаслідок квантово-механічного ефекту: за певних умов частинки, будь то атоми, молекули чи навіть фотони (частинки, що утворюють світло), стають нерозрізненими. Багато сотень або тисяч з них зливаються в одну «суперчастинку» – конденсат Бозе-Ейнштейна (БЕК). У рідині при кінцевій температурі молекули безладно рухаються туди-сюди. Чим тепліша рідина, тим сильніше ці теплові коливання. Конденсати Бозе-Ейнштейна також можуть коливатися: кількість конденсованих частинок змінюється. І це коливання також посилюється з підвищенням температури. «Якщо теорема флуктуації-розсіювання застосовна до BEC, то чим більше коливання кількості частинок у них, тим чутливіше вони повинні реагувати на зовнішні збурення», — підкреслює Шмітт. «На жаль, кількість флуктуацій у зазвичай досліджуваних BEC в ультрахолодних атомарних газах занадто мала, щоб перевірити цей зв’язок». Проте дослідницька група професора доктора Мартіна Вайца, в якій Шмітт є молодшим керівником дослідницької групи, працює з конденсатами Бозе-Ейнштейна, створеними з фотонів. І для цієї системи обмеження не поширюється. «Ми змушуємо фотони в наших BEC взаємодіяти з молекулами барвників», — пояснює фізик, який нещодавно виграв престижну премію для молодих вчених з Європейського Союзу, відому як ERC Starting Grant. Коли фотони взаємодіють з молекулами барвника, часто буває, що молекула «ковтає» фотон. При цьому барвник стає енергетично збудженим. Пізніше він може вивільнити цю енергію збудження, «виплюнувши» фотон.

Фотони низької енергії ковтаються рідше

«Через контакт із молекулами барвника кількість фотонів у наших BEC демонструє значні статистичні коливання», — каже фізик. Крім того, дослідники можуть точно контролювати силу цієї варіації: в експерименті фотони потрапляють у пастку між двома дзеркалами, де вони відбиваються вперед і назад у манері гри в пінг-понг. Відстань між дзеркалами можна варіювати. Чим більше воно стає, тим менше енергія фотонів. Оскільки низькоенергетичні фотони з меншою ймовірністю збуджуватимуть молекулу барвника (тому їх ковтають рідше), кількість конденсованих легких частинок тепер коливається набагато менше. Боннські фізики тепер дослідили, як ступінь коливань пов’язана з «відповіддю» BEC. Якщо теорема про флуктуацію-дисипацію справедлива, ця чутливість повинна зменшуватися зі зменшенням флуктуації. «Насправді ми змогли підтвердити цей ефект у наших експериментах», — підкреслює Шмітт, який також є членом трансдисциплінарної дослідницької області (TRA) «Матерія» в Боннському університеті та Кластеру передового досвіду «ML4Q – Матерія та Світло для квантових обчислень». Як і у випадку з рідинами, тепер можна зробити висновок про мікроскопічні властивості конденсатів Бозе-Ейнштейна на основі параметрів макроскопічного відгуку, які можна легше виміряти. «Це відкриває шлях до нових застосувань, таких як точне визначення температури в складних фотонних системах», — говорить Шмітт.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php