В своих экспериментах физики из Боннского университета и Университета Кайзерслаутерна-Ландау наблюдали переход из одного в два измерения в гармонически захваченном газе фотонов (легких частиц) и изучали его свойства. Фотоны были захвачены в микрополости красителя, где полимерные наноструктуры обеспечивали потенциал захвата для фотонного газа. Изменяя соотношение сторон ловушки, исследователи перешли от изотропного двумерного ограничения к сильно вытянутому одномерному потенциалу захвата. Статья команды опубликована в журнале Nature Physics.
«Чтобы создать газы из фотонов, нам нужно сконцентрировать большое количество фотонов в ограниченном пространстве и одновременно охладить их», — сказал Франк Вевингер из Боннского университета.
В своих экспериментах Вевингер и его коллеги заполняли крошечный контейнер раствором красителя и возбуждали его с помощью лазера.
Образовавшиеся фотоны отражались вперед и назад между отражающими стенками контейнера. Всякий раз, когда они сталкивались с молекулой красителя, они охлаждались до тех пор, пока в конечном итоге фотонный газ не конденсировался.
На размерность газа можно влиять, изменяя поверхность отражающих поверхностей.
«Нам удалось нанести прозрачный полимер на отражающие поверхности, чтобы создать микроскопически малые выступы», — рассказал Джулиан Шульц, физик из Университета Кайзерслаутерна-Ландау. «Эти выступы позволяют нам захватывать фотоны в одном или двух измерениях и конденсировать их».
«Эти полимеры действуют как своего рода желоба, но в данном случае для света», — сказал Киранкумар Каркихалли Умеш, физик из Боннского университета. «Чем уже этот желоб, тем более одномерно ведет себя газ».
В двух измерениях существует точный температурный предел, при котором происходит конденсация — подобно тому, как вода замерзает ровно при 0 градусах Цельсия. Физики называют это фазовым переходом.
«Однако все немного меняется, когда мы создаем одномерный газ вместо двумерного», — сказал Вевингер. «В фотонных газах происходят так называемые тепловые флуктуации, но они настолько малы в двух измерениях, что не оказывают реального влияния. Однако в одном измерении эти колебания могут — образно говоря — создавать большие волны».
Эти флуктуации разрушают порядок одномерных систем, так что различные области внутри газа больше не ведут себя одинаково.
В результате фазовый переход, который по-прежнему точно определен в двух измерениях, становится все более размытым по мере того, как система становится более одномерной.
Однако его свойства по-прежнему определяются квантовой физикой, как и в случае двумерных газов, и такие типы газов называются вырожденными квантовыми газами.
Это как если бы вода превратилась в ледяную воду при низких температурах, не замерзая полностью при охлаждении.
«Теперь нам впервые удалось исследовать это поведение при переходе от двумерного к одномерному фотонному газу», — сказал Вевингер.
Авторам удалось продемонстрировать, что одномерные фотонные газы на самом деле не имеют точной точки конденсации.
Внеся небольшие изменения в структуру полимеров, теперь можно будет в мельчайших подробностях исследовать явления, происходящие при переходе между различными размерностями.
На данный момент это все еще считается фундаментальным исследованием, но вполне возможно, что оно может открыть новые области применения квантовых оптических эффектов.
