物理學家創造出極易壓縮的“光之氣”

波恩大學的研究人員創造了一種可以被壓縮的光粒子氣體。他們的結果證實了量子物理中心理論的預測。這一發現還可能為新型感測器指明方向，這種感測器可以測量微小的力。

如果你用手指堵住氣泵的出口，你仍然可以向下推動它的活塞。原因是：氣體很容易壓縮，這與液體不同。如果泵中含有水而不是空氣，那麼即使付出最大的努力，也基本上不可能移動活塞。

氣體通常由原子或分子組成，這些原子或分子在空間中或多或少地快速旋轉。它與光非常相似：它最小的組成部分是光子，在某些方面表現得像粒子。這些光子也可以被視為一種氣體，然而，這種氣體的行為有些反常：你可以在某些條件下幾乎不費吹灰之力地壓縮它。至少這是理論所預測的。

鏡盒中的光子

波恩大學應用物理研究所（IAP）的研究人員首次在實驗中證明了這一效果。“為了做到這一點，我們將光粒子儲存在一個由鏡子製成的小盒子裡。”國際宇航聯合會的朱利安·施密特（Julian Schmitt）博士解釋說，他是馬丁·韋茨（Martin Weitz）教授小組的主要研究員。“我們在那裡放的光子越多，光子氣體的密度就越大。”

規則通常是這樣的，氣體密度越大，壓縮就越困難。堵塞的氣泵也是如此，起初活塞可以很容易地向下推，但在某些時候，即使施加很大的力，活塞也很難再進一步移動。波恩實驗最初是相似的，他們向鏡盒中投入的光子越多，壓縮氣體就越困難。

然而，這種行為在某一點上突然發生了變化，一旦光子氣體超過特定密度，它就會突然被壓縮，幾乎沒有阻力。施密特解釋道：“這種效應源於量子力學的規則。”施密特也是“量子計算的物質與光”卓越叢集的副成員，也是跨區域合作研究中心185的專案負責人。原因是光粒子表現出的“模糊性”，簡單地說，它們的位置有些模糊。當它們在高密度下彼此非常接近時，光子開始重疊。物理學家們還談到了氣體的“量子簡併”，壓縮這樣的量子簡併氣體變得容易多了。

自組織光子

如果重疊足夠強，光粒子會融合形成一種超光子，即玻色—愛因斯坦凝聚體。用非常簡單的術語來說，這個過程可以比作水的凍結：在液態中，水分子是無序的；然後，在冰點處，第一個冰晶形成，最終合併成一個擴充套件的、高度有序的冰層。“秩序島”也在玻色—愛因斯坦凝聚體形成之前形成，隨著光子的進一步增加，它們變得越來越大。

只有當這些“孤島”增長得如此之大，以至於這個順序延伸到包含光子的整個鏡盒時，凝聚體才會形成。這可以比作一個湖泊，在這個湖泊上，獨立的浮冰最終結合在一起，形成一個統一的表面。自然地，與小盒子相比，這需要在一個擴充套件盒子中有更多的光粒子。施密特指出，“我們能夠在實驗中證明這種關係。”

為了創造一種粒子數可變、溫度定義明確的氣體，研究人員使用了“熱浴”，“我們將分子插入可以吸收光子的鏡盒中。”施密特解釋道：“隨後，它們發射出新的光子，這些光子平均擁有分子的溫度，在我們的例子中，溫度略低於300開爾文，大約為室溫。”

研究人員還必須克服另一個障礙：光子氣體通常密度不均勻，某些地方的粒子比其他地方多得多。這是由於它們通常包含在鏡盒中的形狀所造成的。“我們在實驗中採用了不同的方法。”該研究成果的第一作者埃裡克·布斯利（Erik Busley）說：“我們在一個平底鏡盒中捕獲光子，這個鏡盒是我們用微結構方法建立的。這使我們能夠首次建立光子的均勻量子氣體。”

在未來，這種氣體的量子增強壓縮性將使人們能夠研究可以測量微小力的新型感測器。除了技術前景之外，這些結果對基礎研究也很有意義。