Теорема статистической физики действительна и в квантовом мире
Физики Боннского университета экспериментально доказали, что важная теорема статистической физики применима к так называемым «конденсатам Бозе-Эйнштейна». Их результаты теперь позволяют измерить определенные свойства квантовых «суперчастиц» и вывести характеристики системы, которые в противном случае было бы трудно наблюдать. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Экспериментальная схема для измерения числовых флуктуаций и функции отклика фотонного конденсата Бозе-Эйнштейна, связанного с резервуаром внутри микрополости красителя. Часть излучения резонатора, регистрируемая фотоумножителем (ФЭУ), дает среднюю населенность конденсата 〈n〉; другая часть диспергируется на решетке, а выделение спектрально-фильтрованного конденсата регистрируется с помощью стрик-камеры, что дает g (2) (τ) и расстройку резонатора красителя Δ. Авторы и права: Письма с физическим обзором (2023 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.033602
Предположим, перед вами стоит сосуд, наполненный неизвестной жидкостью. Ваша цель — узнать, насколько частицы в нем (атомы или молекулы ) беспорядочно перемещаются вперед и назад за счет своей тепловой энергии . Однако у вас нет микроскопа, с помощью которого вы могли бы визуализировать эти колебания положения, известные как «броуновское движение».
Оказывается, вам это совсем не нужно: вы также можете просто привязать предмет к нитке и протянуть его через жидкость. Чем больше силы вы должны приложить, тем более вязкой будет ваша жидкость. И чем она более вязкая, тем меньше частицы в жидкости в среднем меняют свое положение. Таким образом, вязкость при данной температуре можно использовать для прогнозирования степени колебаний.
Физический закон, описывающий это фундаментальное соотношение, — теорема флуктуации-диссипации. Проще говоря, он гласит: чем большую силу вам нужно приложить, чтобы воздействовать на систему извне, тем меньше она будет колебаться случайным образом (т. е. статистически) сама по себе, если вы оставите ее в покое.
«Теперь мы впервые подтвердили справедливость теоремы для специальной группы квантовых систем: конденсатов Бозе-Эйнштейна», — объясняет доктор Джулиан Шмитт из Института прикладной физики Боннского университета.
«Суперфотоны» состоят из тысяч световых частиц
Конденсат Бозе-Эйнштейна — это экзотические формы материи, которые могут возникать благодаря квантово-механическому эффекту: при определенных условиях частицы, будь то атомы, молекулы или даже фотоны (частицы, из которых состоит свет), становятся неразличимыми. Многие сотни или тысячи из них сливаются в единую «суперчастицу» — конденсат Бозе — Эйнштейна (БЭК).
В жидкости при конечной температуре молекулы беспорядочно движутся вперед и назад. Чем теплее жидкость, тем сильнее выражены эти тепловые колебания. Конденсаты Бозе-Эйнштейна также могут флуктуировать: меняется количество сконденсированных частиц. И это колебание также увеличивается с повышением температуры.
«Если теорема флуктуации-диссипации применима к БЭК, то чем больше флуктуация числа их частиц, тем чувствительнее они должны реагировать на внешнее возмущение», — говорит Шмитт. «К сожалению, число флуктуаций обычно изучаемых БЭК в ультрахолодных атомарных газах слишком мало, чтобы проверить эту взаимосвязь».
Однако исследовательская группа профессора доктора Мартина Вайца, в которой Шмитт является младшим руководителем исследовательской группы, работает с конденсатами Бозе-Эйнштейна, состоящими из фотонов. И для этой системы ограничение не действует. «Мы заставляем фотоны в наших БЭК взаимодействовать с молекулами красителя», — объясняет физик. При взаимодействии фотонов с молекулами красителя часто бывает так, что молекула «проглатывает» фотон. Таким образом, краситель становится энергетически возбужденным. Позже он может высвободить эту энергию возбуждения, «выплевывая» фотон.
Фотоны низкой энергии проглатываются реже
«Из-за контакта с молекулами красителя количество фотонов в наших БЭК показывает большие статистические колебания», — говорит физик. Кроме того, исследователи могут точно контролировать силу этого изменения: в эксперименте фотоны захватываются между двумя зеркалами, где они отражаются туда и обратно, как в игре в пинг-понг.
Расстояние между зеркалами можно варьировать. Чем он больше, тем ниже энергия фотонов. Поскольку низкоэнергетические фотоны с меньшей вероятностью возбуждают молекулу красителя (поэтому они реже проглатываются), количество сконденсированных световых частиц теперь колеблется гораздо меньше.
Теперь боннские физики исследовали, как степень флуктуации связана с «откликом» БЭК. Если верна теорема о флуктуации-диссипации, эта чувствительность должна уменьшаться по мере уменьшения флуктуации.
«На самом деле, мы смогли подтвердить этот эффект в наших экспериментах», — подчеркивает Шмитт, который также является членом Трансдисциплинарной исследовательской области (TRA) «Материя» в Боннском университете и Кластера передового опыта «ML4Q — Материя и Свет для квантовых вычислений».
Как и в случае с жидкостями, теперь можно вывести микроскопические свойства конденсатов Бозе-Эйнштейна из макроскопических параметров отклика, которые легче измерить. «Это открывает путь к новым приложениям, таким как точное определение температуры в сложных фотонных системах», — говорит Шмитт.