何千もの個々の光粒子で構成される単一の「超光子」：約XNUMX年前、ボン大学の研究者は、このような極端な凝集状態を初めて生成し、まったく新しい光源を提示しました。 この状態は光学ボース・アインシュタイン凝縮と呼ばれ、それ以来、このエキゾチックな光粒子の世界には独自の物理現象があるため、多くの物理学者を魅了してきました。 超光子を発見したマーティン・ワイツ教授と理論物理学者のヨハン・クロハ博士が率いる研究者たちは、非常に特別な観察を行い、最新の「遠征」から量子世界に戻ってきました。 彼らは、光学ボーズ・アインシュタイン凝縮における、これまで知られていなかった新しい相転移について報告しています。 これは、いわゆる過減衰フェーズです。 結果は、長期的には暗号化された量子通信に関連する可能性があります。 この研究はジャーナルScienceに掲載されました。

ボーズ・アインシュタイン凝縮は、通常、非常に低い温度でのみ発生する極端な物理的状態です。 特別なこと：このシステムの粒子はもはや区別できず、主に同じ量子力学的状態にあります。言い換えれば、それらは単一の巨大な「超粒子」のように振る舞います。 したがって、状態は単一の波動関数で表すことができます。

2010年、Martin Weitzが率いる研究者は、光粒子（光子）からボーズアインシュタイン凝縮を作成することに初めて成功しました。 彼らの特別なシステムは今日でも使用されています。物理学者は、マイクロメートルをわずかに超える間隔で配置されたXNUMXつの曲面鏡でできた共振器に光粒子を閉じ込め、急速に往復する光線を反射します。 空間は、光子を冷却するのに役立つ液体染料溶液で満たされています。 これは、色素分子が光子を「飲み込み」、次にそれらを再び吐き出すことによって行われます。これにより、軽い粒子が色素溶液の温度（室温に相当）になります。 背景：このシステムでは、光の粒子は冷却すると溶解するという本来の特性があるため、そもそも光の粒子を冷却することができます。

XNUMXつの相の明確な分離

相転移は、物理学者が凍結中の水と氷の間の転移と呼ぶものです。 しかし、トラップされた光粒子のシステム内で特定の相転移がどのように発生するのでしょうか？ 科学者はそれを次のように説明しています。やや半透明のミラーは光子を失って置き換え、非平衡を作り出し、システムが明確な温度を想定せず、振動するようになります。 これにより、この振動フェーズと減衰フェーズの間に遷移が作成されます。 減衰とは、振動の振幅が減少することを意味します。

「私たちが観察した過減衰相は、いわばライトフィールドの新しい状態に対応しています」と、ボン大学応用物理学研究所の博士課程の学生である筆頭著者のFahriEmreÖztürkは述べています。 特別な特徴は、レーザーの効果が通常、相転移によってボーズ・アインシュタイン凝縮の効果から分離されておらず、XNUMXつの状態の間に明確に定義された境界がないことです。 これは、物理学者が効果間を継続的に行き来できることを意味します。

「しかし、私たちの実験では、光学ボース・アインシュタイン凝縮の過減衰状態は、振動状態と標準レーザーの両方からの相転移によって分離されています」と、研究リーダーのマーティン・ワイツ博士は述べています。 「これは、ボーズ・アインシュタイン凝縮が存在することを示しています。これは、標準のレーザーとは実際には異なる状態です。 「言い換えれば、私たちは光学ボーズ・アインシュタイン凝縮のXNUMXつの別々の相を扱っています」と彼は強調します。

研究者たちは、システム内でも発生する可能性のある、複数の結合された光凝縮物のライトフィールドの新しい状態を検索するためのさらなる研究の基礎として、彼らの発見を使用することを計画しています。 「結合された光凝縮体で適切な量子機械的もつれ状態が発生する場合、これは複数の参加者間で量子暗号化メッセージを送信するのに興味深いかもしれません」とFahriEmreÖztürkは述べています。

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資金調達：

この研究は、カイザースラウテルン大学とボン大学の共同研究センターTR 185「OSCAR–貯留層への調整された結合による原子および光量子物質の制御」、およびケルン大学、アーヘン大学、ボン大学のクラスターオブエクセレンスML4Qから資金提供を受けました。ドイツ研究財団が資金提供する研究センターユリッヒ。 Cluster of Excellenceは、ボン大学の学際的研究領域（TRA）「物質と基本相互作用のビルディングブロック」に組み込まれています。 さらに、この研究は、プロジェクト「PhoQuS –量子シミュレーション用の光子」内の欧州連合と連邦経済エネルギー省からの資金提供を受けたドイツ航空宇宙センターによって資金提供されました。

出版物：FahriEmreÖztürk、Tim Lappe、GöranHellmann、Julian Schmitt、Jan Klaers、Frank Vewinger、Johann Kroha、Martin Weitz：光学量子ガスにおける非エルミート相転移の観察。 科学、 DOI：10.1126 / science.abe9869

ビデオ：https：//youtu。ある/PHSNJIu2IVo

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マーティン・ワイツ博士

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