物理效应在量子世界中也有效

20年2023月XNUMX日（Nanowerk新闻) 波恩大学的物理学家通过实验证明，统计物理学的一个重要定理适用于所谓的“玻色-爱因斯坦凝聚态”。 他们的结果现在可以测量量子“超粒子”的某些特性，并推断出否则难以观察到的系统特征。 该研究现已发表在 “物理评论快报” (“光子玻色-爱因斯坦凝聚的涨落-耗散关系”). 假设在你面前有一个装满未知液体的容器。 您的目标是找出其中的粒子（原子或分子）由于其热能而随机来回移动的程度。 但是，您没有显微镜来观察这些称为“布朗运动”的位置波动。 事实证明你根本不需要它：你也可以简单地将一个物体系在一根绳子上，然后将它拉过液体。 您必须施加的力越大，液体就越粘稠。 而且它越粘稠，液体中的粒子平均改变它们的位置就越小。 因此，给定温度下的粘度可用于预测波动的程度。 描述这种基本关系的物理定律是波动耗散定理。 简而言之，它指出：从外部扰乱系统所需施加的力越大，如果您不理会它，它自身随机（即统计）波动的幅度也就越小。 “我们现在首次证实了该定理对一组特殊量子系统的有效性：玻色-爱因斯坦凝聚体，”波恩大学应用物理研究所的 Julian Schmitt 博士解释说。 光子（绿色）可以被染料分子（红色）“吞噬”，然后再次“吐出”。 这种可能性越大，光子数波动越大。 （图片来源：J. Schmitt，波恩大学）

由数千个光粒子组成的“超级光子”

玻色-爱因斯坦凝聚物是由于量子力学效应而产生的奇异物质形式：在某些条件下，粒子，无论是原子、分子，甚至是光子（构成光的粒子），都变得无法区分。 成百上千个它们合并成一个“超级粒子”——玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC)。 在有限温度的液体中，分子随机来回移动。 液体温度越高，这些热波动就越明显。 玻色-爱因斯坦凝聚体也会波动：凝聚粒子的数量会发生变化。 并且这种波动也随着温度的升高而增加。 “如果波动耗散定理适用于 BEC，则它们的粒子数波动越大，它们对外部扰动的响应就越敏感，”Schmitt 强调说。 “不幸的是，通常研究的超冷原子气体 BEC 的数量波动太小，无法检验这种关系。” 然而，Martin Weitz 教授的研究小组（其中 Schmitt 是初级研究小组组长）研究由光子制成的玻色-爱因斯坦凝聚体。 对于此系统，该限制不适用。 “我们让 BEC 中的光子与染料分子相互作用，”这位物理学家解释说，他最近获得了一项为欧盟年轻科学家设立的高额奖金，即 ERC 启动基金。 当光子与染料分子相互作用时，分子经常会“吞噬”光子。 染料因此变得充满活力。 它可以稍后通过“吐出”一个光子来释放这种激发能。

低能光子被吞噬的频率较低

“由于与染料分子的接触，我们的 BEC 中的光子数量显示出很大的统计波动，”物理学家说。 此外，研究人员可以精确控制这种变化的强度：在实验中，光子被困在两个镜子之间，以乒乓球的方式来回反射。 镜子之间的距离可以变化。 它变得越大，光子的能量就越低。 由于低能光子不太可能激发染料分子（因此它们被吞噬的频率较低），因此凝聚光粒子的数量现在波动较小。 波恩物理学家现在研究波动的程度如何与 BEC 的“响应”相关。 如果涨落耗散定理成立，这种灵敏度应该随着涨落的减小而降低。 “事实上，我们能够在我们的实验中证实这种效果，”施密特强调说，他也是波恩大学跨学科研究领域 (TRA)“物质”和卓越集群“ML4Q - 物质和量子计算之光。” 与液体一样，现在可以从更容易测量的宏观响应参数推断玻色-爱因斯坦凝聚体的微观特性。 “这为新应用开辟了道路，例如复杂光子系统中的精确温度测定，”施密特说。

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php