应用于反射表面的聚合物将光子气体捕获在光的抛物线中。这个抛物线越窄，气体的行为就越一维。图片来源：IAP/Uni Bonn
波恩大学和凯泽斯劳滕-朗道大学 （RPTU） 的物理学家利用光创造了一种一维气体。这使他们能够首次测试关于过渡到这种奇异物质状态的理论预测。研究人员在实验中使用的方法可用于检查量子效应。研究结果已发表在《自然物理学》（Nature Physics）杂志上。
想象一下，你站在一个游泳池前，想出了用更多的水装满它的想法。你拿起一根花园软管，用它产生一股水射流，水射流以高弧线弯曲，落在水池表面。在水射流撞击水池的地方，水位会短暂上升，但水位的这种变化很小，因为下降的水会迅速分布到整个水域中。
但是，如果您用水射流填满排水沟，效果就不同了。射流在您瞄准软管的位置产生水波。这是因为天沟的壁确保水不能流过表面，而只能沿天沟的方向分布。天沟越窄，波的振幅就越高，因此它变得“越一维”。
波恩大学应用物理研究所 （IAP） 的物理学家与 RPTU 的同事合作，研究了由光粒子制成的气体是否也可以实现类似的维度效应。
“为了产生这些类型的气体，我们需要将大量光子集中在一个狭窄的空间里，并同时冷却它们，”IAP 的 Frank Vewinger 博士解释说，他也是波恩大学跨学科研究领域“物质”的成员。
微小的沟槽在他们的实验中，研究人员将染料溶液装满一个小容器，并使用激光激发它。产生的光子在容器的反射壁之间来回反弹。每当它们与染料分子碰撞时，它们都会被冷却，直到最终光子气体冷凝。
气体的维度可以通过改变反射表面的表面来影响。IAP 的研究人员与 RPTU 的 Georg von Freymann 教授博士领导的研究小组合作开展了这项研究。采用了高分辨率结构化方法，以便可以将其应用于本实验的光子容器的反射表面。
“我们能够将透明聚合物涂在反射表面，以产生微观的小突起，”来自 RPTU 的 Julian Schulz 解释说。“这些突起使我们能够将光子捕获在一维或二维中并浓缩它们。”
“这些聚合物的作用类似于一种排水沟，但在这种情况下是为了光线，”该研究的主要作者 Kirankumar Karkihalli Umesh 说。“这个排水沟越窄，气体的行为就越一维。”
热波动会涂抹掉冷凝点在二维空间中，有一个精确的冷凝温度限制——类似于水在零摄氏度时结冰的方式。物理学家称之为相变。“然而，当我们创造一维气体而不是二维气体时，情况会有所不同，”Vewinger 说。
“所谓的热波动发生在光子气体中，但它们在二维空间中非常小，因此没有真正的影响。然而，在一个维度上，这些波动可以——形象地说——掀起。
这些波动破坏了一维系统的秩序，因此气体中的不同区域不再表现相同。因此，仍然在二维中精确定义的相变，随着系统变得越一维，它就会变得越来越“模糊”。
然而，它的性质仍然受量子物理学的支配，就像二维气体一样，这些类型的气体被称为简并量子气体。就好像水在低温下会变成冰水，而冷却时却不会完全结冰。
“我们现在首次能够研究从二维光子气体过渡到一维光子气体时的这种行为，”Vewinger 解释说。
研究小组能够证明一维光子气体实际上没有精确的冷凝点。通过对聚合物结构进行微小的改变，现在可以非常详细地研究不同维度之间过渡时发生的现象。
目前这仍然被认为是基础研究，但它有可能为量子光学效应开辟新的应用领域。
更多信息：Kirankumar Karkihalli Umesh 等人，光量子气体中的维度交叉，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02641-7
期刊信息： Nature Physics
