Super fotoni

3.10.2024 3 min branja

Ste se kdaj vprašali, kaj se zgodi, ko se na tisoče delcev svetlobe združi v eno celoto? Ta pojav, znan kot "super foton", že leta navdušuje fizike.

Zdaj so raziskovalci prišli do zanimivega odkritja, ki širi naše razumevanje tega eksotičnega kvantnega stanja. Dr. Julian Schmitt in njegovi kolegi z Inštituta za uporabno fiziko na Univerzi v Bonnu so pokazali, da fotonski Bose-Einsteinovi kondenzati, znani tudi kot kvantni plini, upoštevajo temeljni izrek fizike. Njihove ugotovitve, objavljene v reviji Nature Communications, odpirajo nove možnosti za merjenje lastnosti teh enigmatičnih entitet, ki so bile prej težko dostopne.

Da bi ustvarili super foton, Bose-Einsteinov kondenzat, so raziskovalci napolnili majhno posodo z raztopino barvila in jo obdali z visoko odsevnimi stenami. Nato so z laserjem vzbudili molekule barvila in tako proizvedli fotone, ki so se odbijali sem in tja med površinami. Ker so delci svetlobe vedno znova trčili v molekule barvila, so se ohladili in končno kondenzirali v kvantni plin.

Toda proces se tu ne ustavi. Delci super fotona še naprej trčijo z molekulami barvila, jih pogoltnejo in ponovno izpljunejo, kar povzroči, da kvantni plin utripa kot sveča. To utripanje je postalo ključ do odkritja skrivnosti fotonskega Bose-Einsteinovega kondenzata.

Kvantni plini so fascinantno stanje snovi, ki se pojavi, ko se zbirka delcev, kot so atomi ali fotoni, ohladi na izjemno nizke temperature blizu absolutne ničle. Pri teh temperaturah postanejo prevladujoče kvantno mehanske lastnosti delcev, kar vodi do edinstvenega in protiintuitivnega vedenja. O kvantnih plinih je pomembno vedeti nekaj stvari:

-Ko se nekatere vrste delcev (bozonov) ohladijo na skoraj absolutno ničlo, se lahko zrušijo v eno samo kvantno stanje in tvorijo Bose-Einsteinov kondenzat. V BEC delci izgubijo svojo individualno identiteto in se obnašajo kot ena sama koherentna entiteta.

-Kvantne pline lahko tvorimo tudi s pomočjo fermionov, delcev s polcelim spinom. Za razliko od bozonov se fermioni držijo Paulijevega izključitvenega načela, ki pravi, da dva enaka fermiona ne moreta zasedati istega kvantnega stanja hkrati. Fermionski kvantni plini imajo drugačne lastnosti kot Bose-Einsteinovi kondenzati.

-Nekateri kvantni plini, kot so tisti, sestavljeni iz atomov helija-4, lahko kažejo superfluidnost. V supertekočem stanju plin teče brez trenja in lahko celo pleza po stenah svoje posode.

Zaradi edinstvenih lastnosti kvantnih plinov so idealni za natančne meritve. Na primer, atomske ure, ki temeljijo na kvantnih plinih, so med najbolj natančnimi napravami za merjenje časa na svetu. Končno imajo kvantni plini potencialno uporabo pri kvantni obdelavi informacij, kjer bi jih lahko uporabili za shranjevanje in manipulacijo kvantnih bitov (qubits) za kvantno računalništvo in komunikacije.