Изучение поведения фотонных газов может помочь открыть некоторые пока неизвестные квантовые оптические эффекты.

Физики впервые создали новое состояние материи, которое является одномерным фотонным газом, состоящим из частиц света. Этот газ можно использовать для изучения поведения фотонов на квантовом уровне. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics, пишет Live Science.

Частицы света или фотоны являются бозонами с целым числом спина (собственного момента импульса частиц). Это значит, что бозоны могут быть в одном и том же состоянии в одном и том же пространстве в определенный момент времени. Если газ из бозонов охладить до температур близких к абсолютному нулю, частицы теряют свою энергию и находятся в одинаковых энергетических состояниях.

В данном случае изначально разрозненные частицы в облаке холодного газа становятся, с точки зрения квантовой механики, совершенно одинаковыми и возникает такая форма материи, как конденсат Бозе-Эйнштейна.

Из-за того, что частицы находятся в виде этого конденсата их положение в газе становятся крайне неопределенными. В результате места, которые каждая частица может занимать, становятся больше по площади, чем пространство между самими частицами. Фотоны в фотонном газе действуют так, как будто они являются всего лишь одной гигантской частицей. Физики уже создавали двухмерные фотонные газы, но с одномерными возникли проблемы.

Чтобы впервые создать одномерный фотонный газ, физики наполнили маленький отражающий контейнер раствором красителя, а затем пустили туда лазерный свет. Фотоны это света отскакивали вперед и назад внутри контейнера, пока не сталкивались с молекулами красителя. В результате фотоны теряли энергию и группировались вместе.

С помощью прозрачного полимера, нанесенного на стенки контейнера, физики настроили отражение света таким образом, что он конденсировался в одном измерении.

При изучении созданного одномерного фотонного газа физики выяснили, что он ведет себя не так, как двухмерные. Тепловые колебания не позволили фотонам полностью конденсироваться в определенных участках. Таким образом создается частичный фазовый переход между лазерным светом и его конденсатной формой.

Физики считают, что изучение поведения фотонных газов, а также того, как они отличаются в разных измерениях, может помочь обнаружить пока еще неизвестные квантовые оптические эффекты.