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2024-06-11 01:04:41
適切な条件下では、数千個の光の粒子が「超光子」の一種に融合することがある。物理学者はこのような状態を光子と呼ぶ。 ボーズ・アインシュタイン凝縮ボン大学の研究者らは、このエキゾチックな量子状態が物理学の基本定理に従うことを実証した。この発見により、通常は測定が難しい光子ボーズ・アインシュタイン凝縮体の特性を測定できるようになった。この研究は「ネイチャー・コミュニケーションズ」誌に掲載された。
多数の原子を小さな体積に閉じ込めて非常に低い温度に冷却すると、原子は区別がつかなくなり、単一の「超粒子」のように振る舞うようになります。物理学者はこれをボーズ・アインシュタイン凝縮体または量子ガスとも呼んでいます。光子は同様の原理に基づいて凝縮し、染料分子を使用して冷却できます。これらの分子は小さな冷蔵庫のように機能し、「熱い」光粒子を飲み込んでから、適切な温度で再び吐き出します。
「私たちの実験では、小さな容器に染料溶液を入れました」とボン大学応用物理学研究所のジュリアン・シュミット博士は説明します。「容器の壁は反射率が高いものでした。」次に研究者はレーザーで染料分子を励起しました。これにより光子が生成され、反射面の間を往復しました。光の粒子が染料分子と繰り返し衝突すると、冷却され、最終的に量子ガスに凝縮しました。
超光子はろうそくのようにちらつく
しかし、このプロセスはその後も継続し、スーパー光子の粒子は染料分子と繰り返し衝突し、飲み込まれてから再び吐き出される。そのため、量子ガスに含まれる光子の量は時々増えたり減ったりし、ろうそくのようにちらつく。「このちらつきを利用して、物理学の重要な定理が量子ガス系で有効かどうかを調べました」とシュミット氏は言う。
このいわゆる「回帰定理」は、簡単な例えで説明できます。スーパー光子を、時々ランダムに非常に強く燃え上がるキャンプファイヤーと仮定しましょう。火が特に明るく燃え上がった後、炎はゆっくりと消え、火は元の状態に戻ります。興味深いことに、残り火に空気を吹き込むことで、意図的に火を燃え上がらせることもできます。簡単に言えば、回帰定理は、火はその後、炎がランダムに発生したのと同じように燃え尽き続けると予測します。つまり、火は、摂動なしに自ら変動するのとまったく同じように摂動に反応するということです。
光子の火に空気を吹き込む
「この動作が量子ガスにも当てはまるかどうかを調べたかったのです」と、ボン大学のトランスディシプリナリー研究領域（TRA）「物質の構成要素」および「量子コンピューティングのための物質と光」エクセレンス・クラスターのメンバーでもあるシュミット氏は説明する。この目的のために、研究者らはまずスーパー光子のちらつきを測定し、統計的変動を定量化した。次に、比喩的に言えば、スーパー光子に別のレーザーを短時間照射して火に空気を吹き込んだ。この摂動により、光子は短時間燃え上がり、その後ゆっくりと初期状態に戻った。
「この穏やかな摂動に対する反応は、摂動のないランダムな変動とまったく同じダイナミクスに従うことを観察することができました」と物理学者は言います。「このようにして、この定理が量子ガスなどのエキゾチックな物質にも当てはまることを初めて実証することができました。」興味深いことに、これは強い摂動にも当てはまります。システムは通常、強い摂動に対しては弱い摂動とは異なる反応を示します。極端な例は、負荷が重くなりすぎると突然壊れる氷の層です。「これは非線形動作と呼ばれます」とシュミットは言います。「しかし、定理はこれらのケースでも有効であり、私たちは今、アントワープ大学の同僚とともにそれを実証することができました。」
この発見は、光子量子ガスの基礎研究にとって非常に重要な意味を持っています。なぜなら、光子量子ガスの明るさがどのように点滅するかは、正確にはわからないことが多いからです。制御された摂動に対して超光子がどのように反応するかを判断する方がはるかに簡単です。「これにより、非常に制御された条件下で未知の特性について学ぶことができます」とシュミットは説明します。「たとえば、多数の超光子からなる新しい光子材料がコアでどのように動作するかを知ることができます。」
参加機関と資金
この研究には、ボン大学応用物理学研究所、アントワープ大学（ベルギー）、フライブルク大学が参加しました。このプロジェクトは、ドイツ研究振興協会（DFG）、欧州連合（ERCスタートアップ助成金）、ドイツ航空宇宙センター（DLR）、ベルギーの資金提供機関FWOフランダースの支援を受けました。
#摂動はスーパー光子の研究を簡素化する