Физики создали одномерный газ, состоящий из света

Поведение материи в значительной степени зависит от того, ограничена ли она одномерной областью или ей позволено распространяться в двумерной области.

Чтобы определить точку, в которой это поведение меняется в квантовой системе, исследователи из Боннского университета и Университета Кайзерслаутерна-Ландау в Германии провели эксперимент. Их особенно интересовало, как переход в одномерный конфайнмент изменяет критические свойства газа по мере его охлаждения и фазового перехода.

КБЭ образуется, когда определённые частицы охлаждаются и оказываются в пространстве, которое заставляет их отказаться от своей индивидуальности, превращаясь в газ с общей квантовой идентичностью.

Благодаря тому, как распространяются тепло и квантовая размытость, переход в это состояние идёт несколько сложнее, когда частицы имеют меньше измерений, в которых они могут свободно перемещаться.

«Когда мы создаём одномерный газ вместо двумерного, всё происходит немного иначе», — говорит физик Франк Вевингер из Боннского университета.

«Так называемые тепловые флуктуации происходят в фотонных газах, но они настолько малы в двух измерениях, что не оказывают реального влияния. Однако в одном измерении эти флуктуации могут, образно говоря, создавать большие волны».

Чтобы перейти к одномерному газу, исследователи использовали крошечный контейнер, микрополость, и заполнили её раствором красителя. С помощью лазера в раствор попадали фотоны, что способствовало их «охлаждению» (строго говоря, температура фотонов — это температура идеального абсолютно чёрного тела, которое выдавало бы такое же излучение). Отражающие стенки контейнера ограничивали волнообразные свойства фотонов, заставляя их перемещаться в замкнутом пространстве.

Очень важно, что команда разработала метод создания микроскопических выступов вдоль отражающих стенок с помощью прозрачного полимера, медленно уменьшающего свободу фотонов.

«Эти полимеры действуют как жёлоб, в данном случае — для света», — говорит физик Киранкумар Каркихалли Умеш (Kirankumar Karkihalli Umesh) из Боннского университета. «Чем уже этот жёлоб, тем более одномерно ведёт себя газ».

Экспериментальная установка позволила команде подтвердить теоретические предсказания о том, как КБЭ формируются в разных измерениях. В будущем полимерные структуры внутри микрополости могут быть изменены для проверки других теорий и дальнейшего изучения фундаментального поведения этих крайне необычных состояний материи.