Nur sieben Photonen können wie Milliarden wirken

Anonim

Ein System, das nur aus einer Handvoll Teilchen besteht, verhält sich genau wie größere Systeme und ermöglicht es Wissenschaftlern, das Quantenverhalten leichter zu untersuchen.

Die meisten Substanzen, die Physiker untersuchen, bestehen aus einer großen Anzahl von Teilchen - so groß, dass es im Wesentlichen keinen Unterschied zwischen den Verhaltenseigenschaften eines Tropfens oder dem reinen Wassergehalt eines Schwimmbeckens gibt. Sogar ein einzelner Tropfen kann mehr als eine Billiarde Teilchen enthalten.

Dies macht das Verständnis ihres kollektiven Verhaltens relativ einfach. Zum Beispiel werden sowohl das Wasser im Tropfen als auch im Pool bei 0 ° C gefrieren und bei 100 ° C sieden.

Solche "Phasenübergänge" (dh von flüssig zu fest oder von flüssig zu gasförmig) können in diesen großen Systemen abrupt auftreten, da so viele Teilchen beteiligt sind, dass sie alle gleichzeitig wirken. Aber was ist mit weit kleineren Systemen? Wenn nur eine Handvoll Partikel vorhanden sind, gelten die gleichen Regeln für Phasenübergänge?

Um diese Fragen zu beantworten, hat ein Team von Wissenschaftlern des Imperial College London, der Universität Oxford und des Karlsruher Instituts für Technologie ein System von weniger als 10 Photonen, den fundamentalen Lichtteilchen, entwickelt. Die Ergebnisse ihrer Experimente, die heute in Nature Physics veröffentlicht wurden, zeigen, dass Phasenübergänge immer noch in Systemen auftreten, die im Durchschnitt aus nur sieben Partikeln bestehen.

Die Untersuchung des Quantenverhaltens von Partikeln ist mit weniger Partikeln viel einfacher. Die Tatsache, dass Phasenübergänge in diesen kleinen Systemen auftreten, bedeutet, dass Wissenschaftler Quanteneigenschaften wie Kohärenz besser untersuchen können.

Leitender Autor Dr. Robert Nyman von der Abteilung für Physik bei Imperial sagte: "Jetzt, wo bestätigt wird, dass Phasenübergang immer noch ein nützliches Konzept in solch kleinen Systemen ist, können wir Eigenschaften auf eine Weise erforschen, die in größeren nicht möglich wäre Systeme.

"Insbesondere können wir die Quanteneigenschaften von Materie und Licht untersuchen - was bei kleinsten Phasensprüngen passiert."

Das von dem Team untersuchte System war ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) von Photonen. BECs bilden sich, wenn ein Gas aus Quantenteilchen so kalt oder so dicht beieinander ist, dass sie nicht mehr unterschieden werden können. Ein BEC ist ein Zustand der Materie, der sehr unterschiedliche Eigenschaften von Feststoffen, Flüssigkeiten, Gasen oder Plasmen hat.

Das Team fand heraus, dass durch Hinzufügen von Photonen zu dem System ein Phasenübergang zu einem BEC stattfinden würde, sobald das System ungefähr sieben Photonen erreichen würde, weniger als in irgendeinem anderen BEC, das vorher gesehen wurde. Da er so klein war, war der Übergang weniger abrupt als in größeren Systemen wie Wasserpfützen, aber die Tatsache, dass der Übergang an einem vorhersagbaren Punkt stattfand, spiegelt größere Systeme gut wider.

Das System wurde mit einer einfachen Apparatur entwickelt - einige fluoreszierende Farbstoffe und gekrümmte Spiegel. Dies bedeutet, dass das System nicht nur für die Untersuchung von Quanteneigenschaften nützlich sein könnte, sondern auch dazu, spezielle Lichtzustände zu erzeugen und zu manipulieren.

Co-Autor Dr. Florian Mintert von der Abteilung für Physik bei Imperial sagte: "Mit der besten von zwei verschiedenen Welten - der Physik von Phasenübergängen und der Zugänglichkeit von kleinen Systemen - hat diese ungewöhnliche Lichtquelle potentielle Anwendungen in der Messung oder Wahrnehmung. "

menu
menu