Jediný „superfotón“ pozostávajúci z mnohých tisícov jednotlivých svetelných častíc: Asi pred desiatimi rokmi vedci z univerzity v Bonne prvýkrát vyrobili taký extrémny celkový stav a predstavili úplne nový zdroj svetla. Tento stav sa nazýva Bose-Einsteinova optická kondenzácia a odvtedy zaujal mnohých fyzikov, pretože tento podivný svet častíc svetla je domovom svojich vlastných fyzikálnych javov.

Vedci pod vedením profesora Martina Weitza, ktorý objavil super fotón, a teoretického fyzika profesora Johana Krohu z ich poslednej „expedície“ sa vrátili do kvantového sveta s veľmi zvláštnou poznámkou. Hlásili predtým neznámu novú fázovú premenu v optickom kondenzátore Bose – Einstein. Toto je takzvaná fáza nadmerného tlmenia. Výsledky môžu byť z dlhodobého hľadiska relevantné pre kódovanú kvantovú komunikáciu. Štúdia bola publikovaná v časopise Veda.

Kondenzátory Bose-Einstein sú extrémnym fyzickým stavom, ktorý sa zvyčajne vyskytuje pri veľmi nízkych teplotách. Čo je zvláštne: Častice v tomto systéme už nie sú identifikovateľné a často sú v rovnakom kvantovo mechanickom stave, inými slovami, správajú sa ako jedna obrovská „superčastica“. Prípad teda možno opísať funkciou jednej vlny.

V roku 2010 sa vedcom pod vedením Martina Weitza podarilo prvýkrát vytvoriť kondenzátor Bose-Einstein z častíc svetla (fotónov). Ich špeciálny systém sa používa dodnes: Fyzici zachytávajú častice svetla v rezonátore vyrobenom z dvoch zakrivených zrkadiel umiestnených mierne nad mikrometrom, ktoré odrážajú rýchly frekvenčný lúč svetla. Priestor je vyplnený roztokom tekutého farbiva, ktorý fotóny ochladzuje. To sa deje tak, že molekuly farbiva „prehltnete“ z fotónov a potom ich opäť vypľujete, čo spôsobí, že ľahké častice dosiahnu teplotu roztoku farbiva – okolo teploty miestnosti. POZADIE: Tento systém umožňuje predovšetkým ochladzovať častice svetla, pretože ich prirodzené vlastnosti sa pri ochladení topia.

Vpravo je terč mikroskopu, ktorý sa používa na pozorovanie a analýzu svetla vychádzajúceho z rezonátora. Poďakovanie: © Gregor Hübl / Uni Bonn

Jasné oddelenie dvoch stupňov

Fázový prechod je to, čo fyzici nazývajú prechodom medzi vodou a ľadom počas zmrazovania. Ako však môže dôjsť k špecifickému fázovému prechodu v systéme zachytených svetelných častíc? Vedci to vysvetľujú takto: priesvitné zrkadlá do istej miery spôsobujú stratu a výmenu fotónov, čo vytvára nerovnováhu, ktorá vedie k tomu, že systém nepredpokladá konkrétnu teplotu a nastavuje osciláciu. Týmto sa vytvorí prechod medzi touto oscilačnou fázou a inhibičnou fázou. Tlmenie znamená, že amplitúda vibrácií klesá.

„Fáza hyper-tlmenia, ktorú sme pozorovali, zodpovedá takpovediac novému stavu svetelného poľa,“ hovorí hlavný autor Fahri Emre Ozturk, doktorand z Inštitútu aplikovanej fyziky na univerzite v Bonne. Špeciálnou vlastnosťou je, že laserový efekt je zvyčajne neoddeliteľný od účinku kondenzátora Bose – Einstein fázovým prechodom a medzi týmito dvoma stavmi nie sú ostro definované hranice. To znamená, že fyzici sa môžu medzi účinkami neustále pohybovať tam a späť.

S vizuálnou prípravou na meracom stole na Ústave aplikovanej fyziky Univerzity v Bonne. Poďakovanie: © Gregor Hübl / Uni Bonn

Vedúci štúdie, profesor Martin Weitz, hovorí: „Podľa našich skúseností je však stav nadmerného tlmenia optickej kondenzácie Bose-Einstein oddelený fázovým prechodom od stavu oscilácie aj od štandardného laseru.“ „To naznačuje prítomnosť Bose-Einsteinovho kondenzátora, čo je skutočne odlišný prípad od štandardného laseru.“ Inými slovami, zaoberáme sa dvoma samostatnými fázami optického kondenzátora Bose-Einstein, tvrdí.

Vedci plánujú použiť svoje zistenia ako základ pre ďalšie štúdie pri hľadaní nových stavov svetelného poľa v mnohých duálnych optických kondenzátoroch, ktoré by sa tiež mohli vyskytnúť v systéme. „Ak sa v spárovaných kondenzátoroch svetla vyskytnú vhodné stavy kvantového mechanického zapletenia, mohlo by to byť zaujímavé pre prenos kvantovo kódovaných správ medzi viacerými účastníkmi,“ hovorí Fahriy Emre Ozturk.

Martin Weitz, Dr. Julian Schmidt, Dr. Frank Feuinger, prof. Dr. Johan Kroha a Joran Heilmann z Inštitútu aplikovanej fyziky na univerzite v Bonne. Poďakovanie: © Gregor Hübl / Uni Bonn

Odkaz: „Pozorovanie neemitárskeho fázového prechodu v optickom kvantovom plyne“, autor: Fahri Emre Ozturk, Tim Lappe, Goran Hillman, Julian Schmidt, Jean Claire’s, Frank Voyinger, Johan Kroha, Martin Weitz, 2. apríla 2021, Veda.
DOI: 10.1126 / science.abe9869

Štúdia získala financovanie z Kooperatívneho výskumného centra TR 185 „OSCAR – Kontrola atómových a fotonických kvantových látok pomocou ad hoc spojenia s rezervoármi“ univerzít v Kaiserslauterne a Bonne, skupiny ML4Q Excellence Group na univerzitách v Kolíne nad Rýnom, Aachene a Bonne Výskumné centrum Jülich s financovaním z Nemeckej výskumnej nadácie. Zahrnutý je balík interdisciplinárnych výskumných excelencií (TRA) „Stavebné kamene hmoty a základných interakcií“ na univerzite v Bonne. Štúdia bola navyše financovaná Európskou úniou v rámci projektu „PhoQuS – kvantové simulačné fotóny“ a Nemeckým vesmírnym strediskom s financiami spolkového ministerstva hospodárstva a energetiky.