探测回归定理的实验方案。图片来源：Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-49064-9
在合适的条件下，数以千计的光粒子可以合并成一种“超级光子”。物理学家称这种状态为光子玻色-爱因斯坦凝聚态。
波恩大学的研究人员现在已经证明，这种奇异的量子态遵循物理学的基本定理。这一发现现在允许人们测量通常难以接近的光子玻色-爱因斯坦凝聚体的性质。该研究已发表在《自然通讯》杂志上。
如果许多原子被冷却到非常低的温度，它们被限制在很小的体积中，它们就会变得难以区分，并且表现得像一个单一的“超级粒子”。物理学家也称其为玻色-爱因斯坦凝聚态或量子气体。光子基于类似的原理凝聚，可以使用染料分子冷却。这些分子就像小冰箱一样，吞下“热”的光粒子，然后在合适的温度下再次吐出它们。
“在我们的实验中，我们用染料溶液填充了一个微小的容器，”波恩大学应用物理研究所的Julian Schmitt博士解释说。“集装箱的墙壁具有很强的反光性。”
然后，研究人员用激光激发染料分子。这产生了在反射表面之间来回反弹的光子。当光粒子反复与染料分子碰撞时，它们冷却下来，最终凝结成量子气体。
超级光子像蜡烛一样闪烁然而，这个过程之后仍在继续，超级光子的粒子反复与染料分子碰撞，在再次被吐出之前被吞噬。因此，量子气体有时含有更多，有时更少，使其像蜡烛一样闪烁。
“我们利用这种闪烁来研究一个重要的物理学定理在量子气体系统中是否有效，”施密特说。
这个所谓的“回归定理”可以用一个简单的类比来说明：让我们假设超级光子是一堆篝火，有时会随机地非常强烈地燃烧起来。在火烧得特别亮之后，火焰慢慢熄灭，火又恢复到原来的状态。有趣的是，人们还可以通过将空气吹入余烬中来故意使火燃烧起来。
简单来说，回归定理预测，大火将继续燃烧，就像火炬是随机发生的一样。这意味着它对扰动的响应方式与它在没有任何扰动的情况下自行波动的方式完全相同。
将空气吹入光子火中“我们想知道这种行为是否也适用于量子气体，”施密特解释说，他也是波恩大学跨学科研究领域（TRA）“物质的构建块”和“量子计算的物质和光”卓越集群的成员。为此，研究人员首先测量了超级光子的闪烁，以量化统计波动。
然后，他们通过向超级光子短暂发射另一束激光来将空气吹入火中。这种扰动导致它短暂爆发，然后慢慢恢复到初始状态。
“我们能够观察到，对这种温和扰动的响应与没有扰动的随机波动完全相同，”物理学家说。
“通过这种方式，我们首次能够证明这个定理也适用于量子气体等奇异形式的物质。
有趣的是，强扰动也是如此。系统对较强扰动的反应通常与对较弱扰动的反应不同——一个极端的例子是一层冰，当施加在上面的负载变得太重时，它会突然破裂。
“这被称为非线性行为，”施密特说。“然而，该定理在这些情况下仍然有效，因为我们现在已经能够与安特卫普大学的同事一起证明。
这些发现对于光子量子气体的基础研究具有重要意义，因为人们通常不知道它们的亮度将如何闪烁。确定超级光子如何响应受控扰动要容易得多。
“这使我们能够在非常受控的条件下了解未知特性，”施密特解释道。
“例如，这将使我们能够找出由许多超级光子组成的新型光子材料在其核心的行为。
更多信息：Alexander Sazhin 等人，光子玻色-爱因斯坦凝聚态中非线性响应和 Onsager 回归的观察，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-49064-9
期刊信息： Nature Communications
