Физики открыли новое состояние света

Немецкие физики обнаружили ранее неизвестный фазовый переход в оптическом конденсате Бозе — Эйнштейна и новое состояние квантов света — сверхдемпфированную фазу. Результаты, по мнению авторов, могут в будущем иметь важное значение для реализации защищенной квантовой связи. Исследование опубликовано в журнале Science.

В 2010 году исследователи из Боннского университета под руководством профессора Мартина Вайца (Martin Weitz) впервые получили совершенно новый источник света — одиночный "суперфотон", состоящий из многих тысяч отдельных световых частиц, — своего рода бозе-эйнштейновский конденсат легких частиц.

Конденсат Бозе — Эйнштейна — это экстремальное агрегатное состояние вещества, которое возникает только при температурах, близких к абсолютному нулю. Это состояние характеризуется тем, что частицы в такой системе уже не различимы и преимущественно находятся в квантово-механическом состоянии, то есть ведут себя как одна гигантская "суперчастица", состояние которой можно описать волновой функцией.

В новом эксперименте ученые использовали ту же самую установку, что и десять лет назад: они улавливали световые частицы в резонаторе, состоящем из двух изогнутых зеркал, расположенных на расстоянии чуть более микрометра друг от друга, которые отражают быстрый возвратно-поступательный луч света. Пространство между зеркалами заполнено жидким раствором красителя, который охлаждает фотоны. Это достигается за счет того, что молекулы красителя сначала "проглатывают" фотоны, а затем снова их "выплевывают", доведя до температуры раствора красителя — эквивалента комнатной температуры.

В какой-то момент исследователям удалось зафиксировать фазовый переход в системе захваченных легких частиц. Авторы объясняют этот переход так: полупрозрачные зеркала вызывают потерю и замену фотонов, создавая неравновесие, которое приводит к тому, что система начинает колебаться. В итоге образуются две разделенные между собой фазы: фаза колебаний и фаза затухания. В последней амплитуда вибрации постепенно уменьшается.

"Наблюдаемая нами сверхзатухающая фаза соответствует новому состоянию светового поля", — приводятся в пресс-релизе университета слова первого автора статьи Фахри Эмре Озтюрка (Fahri Emre Öztürk), аспиранта Института прикладной физики.

Авторы отмечают, что обычно действие лазера не отделяется от эффекта конденсата Бозе — Эйнштейна фазовым переходом и между этими двумя состояниями нет четко определенной границы. Однако в данном эксперименте сверхзатухающее состояние оптического конденсата Бозе — Эйнштейна отделялось фазовым переходом как от колебательного состояния, так и от света стандартного лазера.

"Это показывает, что мы имеем дело с двумя отдельными фазами оптического конденсата Бозе — Эйнштейна", — говорит руководитель исследования профессор Мартин Вайц.

Ученые планируют использовать полученные результаты для дальнейших исследований по поиску новых состояний светового поля в множественных связанных световых конденсатах, возникающих в оптических системах. Они надеются, что в дальнейшем их открытие будет использовано в области квантовой связи.

"Если подходящие квантово-механически запутанные состояния возникают в связанных легких конденсатах, это может быть интересно для передачи квантово-зашифрованных сообщений", — отмечает Озтюрк.