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极度可压缩的“光量子气体”

撰稿 | 范嘉豪（香港城市大学，博士生）

 

众所周知，气体是可压缩的。当我们挤压气泵时很容易推动活塞，但如果装满水则基本上无法推动活塞，这则是因为气体的压缩性比液体大很多。在热力学和流体力学范畴中，压缩性（Compressibility）是一个衡量因压强改变而造成的相对体积变化的度量。气体通常由随机运动的原子或分子等粒子组成，粒子之间距离大，密度变化范围广，导致气体压缩性很大。
光在这些方面类似于气体，因为微观上光由光子构成，根据波粒二象性这些光子在某些行为上可视为粒子，科研人员可以将处理气体粒子的方法应用于光子，“光子气体”也因此得名。
 
 
 
视频来源： 德国波恩大学
德国波恩大学的研究人员近日在实验室中创造出了在特定条件下极度可压缩的光量子气体，并构建了相应的量子状态方程，其研究结果进一步验证了量子力学中的玻色-爱因斯坦凝聚态现象，同时也为物理学中非平衡现象，相变理论，声波传导以及高灵敏度传感器等领域提供了新方法。
该成果以“Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box”为题在线发表在 Science。

  聚合光量子气体  

研究人员首先将光子储存在一个由镜子组成的盒子里（如图1所示），盒子的空间结构实际上是一个填充染料分子的二维纳米光学微腔。为了盒内的光子数量保持稳定，需要持续给盒内染料分子提供泵浦源以补偿镜面传输造成的光子损失。同时这些光子组成的光量子气体便会染料分子发生作用并加热到分子的振动温度，即室温（T=300K）。泵浦源可以决定光量子气体的密度，而染料分子的激发则可以改变其化学势。随着光子数的不断增加，光量子气体的密度也随之增大。
极度可压缩的“光量子气体”
图1：填充染料分子的二维纳米光学微腔
图译：范嘉豪（撰稿人）

  压缩光量子气体  

通常情况下，气体密度越大，压缩难度越大。刚开始挤压气泵时，活塞很容易被推动，但如果推到一定程度时，即使用力挤压也无法推进活塞。光量子气体本质上也应具有这一特性，如果盒内光子数达到一定数量时，光量子气体也应越难被压缩。
但研究人员发现了与经典气体不同的现象。他们通过控制压电装置来调整盒内平面镜的倾斜度，进而实现光量子气体势能的线性变化，从而使光量子气体能被均匀压缩，然而当光子密度增大到某一临界点时，光子会变得极度可压缩，压缩性会出现突然增大的现象。
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图2：水结冰过程
图源：Veer / Light新媒体
  光子自组织  
光子在压缩过程中会呈现出一种位置 "模糊性"，即每个光子是无法被区分开的，当光子密度非常大时，光子彼此非常接近并开始重叠，出现量子兼并现象。如果光子间的重叠效应足够强，光子则会融合形成一种超级光子态，即玻色-爱因斯坦凝聚态，几乎全部的光子都聚集到能量最低的量子态中。
简单来讲，就如同水结冰过程，起初水分子都是无序状态，随着温度下降，一些水分子靠近彼此形成有序的冰晶，即凝固过程，然后此冰晶会不断扩展使所有水分子凝聚形成有序的冰层。当盒内所有光子都进入玻色-爱因斯坦凝聚态时，如同所有水分子都形成一个均匀有序的“冰层”，那么光量子气体则可以获得很高的压缩性。

  前景与应用  

该研究结果不仅验证了光子的玻色-爱因斯坦凝聚态理论，而且也为声波传导，非平衡现象，相变理论等领域提供了新的研究途径。同时，实验中所使用的压电装置控制盒内镜子倾斜度的技术则有望在未来应用于微力探测传感器上。

  论文信息  

Erik Busley et al, Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box, Science (2022).
www.science.org/doi/10.1126/science.abm2543

封面图来源：VOLKER LANNERT / 德国波恩大学

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