Физики научились запирать свет в одномерной ловушке

Физики из Университета Бонна и Университета Кайзерслаутерн-Ландау провели уникальные эксперименты, в ходе которых им удалось создать одномерный фотонный газ и изучить его свойства. В процессе исследований они наблюдали переход фотонного газа из двумерного состояния в одномерное, используя специальную ловушку для фотонов. Результаты их работы опубликованы в авторитетном журнале Nature Physics .

Создание фотонного газа требует одновременного сжатия большого количества фотонов в ограниченном пространстве и их охлаждения. В эксперименте исследователи использовали крошечный контейнер, наполненный раствором красителя. Этот раствор был облучен лазером, что вызвало образование фотонов, которые многократно отражались от стенок контейнера. При каждом столкновении с молекулами красителя фотоны теряли энергию и охлаждались, что в итоге привело к конденсации фотонного газа — процессу, схожему с образованием капель жидкости в обычных газах.

Одной из ключевых особенностей этого исследования стала возможность контролировать размерность фотонного газа. Этого удалось достичь за счет изменения поверхности отражающих стенок контейнера. Ученые нанесли прозрачные полимерные структуры на эти поверхности, создавая микроскопические выступы, которые позволили удерживать фотоны в одномерной или двумерной конфигурации. По словам участников эксперимента, полимеры действовали подобно «желобам» для света: чем уже этот «желоб», тем ближе к одномерному состоянию переходил фотонный газ.

Размерность газа напрямую влияет на его физические свойства. В двумерных системах существует четко определенная температура, при которой происходит конденсация — фазовый переход, аналогичный замерзанию воды при 0 градусах Цельсия. Однако в одномерных системах ситуация значительно сложнее. Здесь вступают в игру тепловые флуктуации, которые в двумерных системах практически незаметны, но в одномерных могут существенно влиять на поведение газа. Эти флуктуации разрушают порядок в системе, вызывая изменения в различных участках газа, что делает фазовый переход менее четким.

Несмотря на это, одномерный фотонный газ продолжает подчиняться законам квантовой физики, как и двумерный, но ведет себя иначе. Подобные газы называют вырожденными квантовыми газами. Это можно представить как воду, которая при охлаждении не превращается в твердый лед полностью, а остается в виде смеси воды и льда.

Один из авторов исследования отметил, что ученым впервые удалось наблюдать этот процесс на границе перехода от двумерного к одномерному фотонному газу. В ходе экспериментов было доказано, что одномерные фотонные газы не имеют точной температуры конденсации, как это происходит в двумерных системах. Этот результат открывает новые возможности для более глубокого исследования переходных процессов между различными размерностями, что в перспективе может привести к новым открытиям в области квантовой оптики.

Хотя текущее исследование носит фундаментальный характер, его результаты могут быть полезны для разработки новых технологий, связанных с управлением светом и квантовыми системами. Возможность тонкой настройки свойств фотонного газа путем изменения полимерных структур открывает путь к созданию новых квантово-оптических устройств и потенциально может найти применение в вычислительных и телекоммуникационных системах будущего.