德国科学家开发出能够极度压缩光的量子气体

德国波恩大学的研究人员开发了一种可以极度压缩的光子气体。他们的结果证实了量子物理核心理论的预言。这些发现也将为能够测量微小力的新型传感器指明方向。这项研究最近发表在《科学》杂志上。

气体通常由在空气中快速旋转的原子或分子组成，这与光非常相似。最基本的光粒子是光量子，简称光子。在某些方面，光子的行为类似于粒子。这些光子也可以被视为一种气体，但它的行为有些不同寻常：至少在理论上，我们可以在某些条件下几乎毫不费力地压缩它。

波恩大学应用物理研究所(IAP)的研究人员现在首次在实验中证明了这一效应。IAP的朱利安施密特博士解释说：“为了做到这一点，我们将光量子储存在一个由镜子制成的小盒子里。里面放的光子越多，光子气体的密度就越大。”

一般来说，气体密度越高，越难压缩。堵气泵也是一样：刚开始活塞可以很容易的被推下去，但是到了一定程度，即使施加很大的力也很难再进一步移动。

但是，这个实验发现，这种情况在某个时间点突然发生了变化：光子气体一旦超过一定密度，就可以在几乎没有阻力的情况下被突然压缩。施密特解释说，这种效应源于量子力学的规则。原因是这些光量子表现出一种“模糊性”，即它们的位置有点模糊。当它们在高密度下彼此非常接近时，光子开始重叠，压缩这样的量子简并气体变得容易得多。

如果有足够的重叠，光子就会融合形成一个超级光子，即玻色-爱因斯坦凝聚体。简而言之，这个过程可以比喻为水的冻结：在液态下，水分子是无序的；在冰点，会形成冰晶，最终无数的冰晶会融合成一个延伸的高度有序的冰层。“有序冰岛”也是在玻色-爱因斯坦凝聚体形成之前形成的。随着光子的进一步增加，会越来越大。

只有这些“岛”有序地膨胀延伸到包含光子的整个镜盒，才能形成凝聚态物质。这可以比作一个湖泊，独立漂浮的冰岛最终在其上结合形成一个统一的表面。

为了创造一种粒子数可变、温度确定的气体，研究人员使用了“热浴”:将分子插入镜盒中吸收光子。随后，它们会发出温度略低于300开尔文(26.85摄氏度)的新光子，这大约是室温。

气体中光子的密度通常是不均匀的，有些地方的粒子比其他地方多很多。为了克服这一障碍，研究人员在平底镜盒中捕获了光子，从而首次创造了均匀的光子气体。