شبیه‌سازی اولین گاز یک‌بعدی فوتونی در فضای محدود

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری برنا؛ فیزیکدان‌ها موفق به ایجاد گاز یک‌بعدی ساخته شده از نور شده‌اند. آنها با به دام انداختن فوتون‌ها، حالت خاصی از ماده به نام تراکم بوز-اینشتین (BEC) را ایجاد کرده‌اند.

رفتار ماده به طور قابل توجهی بستگی به این دارد که آیا در یک صف یک‌بعدی محدود شده است یا اجازه دارد در فضایی دو‌بعدی پخش شود. برای تعیین نقطه‌ای که این رفتار در یک سیستم کوانتومی تغییر می‌کند، محققان دانشگاه بُن و دانشگاه کایزرسلاوترن-لنداو در آلمان آزمایشی انجام دادند.

آنها به طور خاص به این مسأله علاقه‌مند بودند که چگونه انتقال به محبوس شدن یک‌بعدی خواص بحرانی گاز را در هنگام خنک شدن و تغییر فاز تحت تأثیر قرار می‌دهد.

تراکم بوز-اینشتین زمانی تشکیل می‌شود که ذرات خاصی، مانند فوتون‌ها، خنک شده و در فضایی به دام می‌افتند که آنها را وادار می‌کند تا فردیت خود را کنار بگذارند و به طور مؤثر به گاز با هویت کوانتومی مشترک تبدیل شوند.

به دلیل نحوه پخش گرما و ابهام کوانتومی، انتقال به این حالت زمانی که ذرات در ابعاد کمتری قادر به حرکت آزادانه هستند، کمی دشوارتر است.

فیزیکدان فرانک وینگنر از دانشگاه بُن گفت: همه چیز وقتی که ما گاز یک‌بعدی ایجاد می‌کنیم، متفاوت است در مقایسه با گاز دو‌بعدی. آنچه به نام نوسانات حرارتی شناخته می‌شود در گاز‌های فوتونی وجود دارد، اما این نوسانات در دو بعد آن‌قدر کوچک هستند که تأثیر واقعی ندارند. با این حال، در یک بعد این نوسانات می‌توانند به طور مجازی "موج‌های بزرگی" ایجاد کنند. 

برای امکان‌پذیر کردن تغییر به گاز یک‌بعدی، محققان از یک محفظه کوچک به نام میکروکاویتید استفاده کردند و آن را با محلول رنگی پر کردند. لیزر برای آزاد کردن فوتون‌ها به داخل محلول استفاده شد که به خنک شدن آنها کمک کرد. دیواره‌های بازتابنده محفظه، ویژگی‌های موجی فوتون‌ها را محدود کرده و آنها را در فضایی محدود به طور مداوم به اطراف پرتاب کردند.

به طور اساسی، تیم یک روش تولید برجستگی‌های میکروسکوپی در امتداد دیواره‌های بازتابنده با استفاده از پلیمر شفاف توسعه داد که به تدریج آزادی فوتون‌ها را کاهش داد.

فیزیکدان کیران‌کمار کارکیهالی اوش از دانشگاه بُن گفت: این پلیمر‌ها مانند نوعی کانال برای نور عمل می‌کنند"، می‌گوید . "هرچه این کانال باریک‌تر باشد، گاز بیشتر به طور یک‌بعدی رفتار می‌کند.

تنظیم آزمایشی به تیم این امکان را داد تا پیش‌بینی‌های نظری در مورد نحوه تشکیل تراکم بوز-اینشتین در ابعاد مختلف را تأیید کنند. در آینده، ساختار‌های پلیمر درون میکروکاویتید ممکن است تنظیم شوند تا نظریه‌های دیگر را آزمایش کنند و رفتار بنیادی این حالت‌های غیرمعمول ماده را بیشتر بررسی کنند.

برای حالا، نشان داده شده است که گاز‌های فوتونی یک‌بعدی نقطه دقیق تراکم ندارند، زیرا حرکت فوتون‌ها بسیار محدود است و حتی در یک صف، قوانین فیزیک کوانتومی به اندازه‌ای بر فیزیک کلاسیک حاکم می‌شوند که یک حالت جزئی کم‌انرژی از تراکم بوز-اینشتین تشکیل شود.

وینگنر گفت: ما اکنون قادر به بررسی این رفتار در انتقال از گاز فوتونی دو‌بعدی به گاز فوتونی یک‌بعدی برای اولین بار شده‌ایم. 

این تحقیق در مجله Nature Physics منتشر شده است.

انتهای پیام/