Физики увидели нелинейный отклик в фотонном бозе-конденсате

Физики из Германии и Бельгии увидели нелинейный отклик в фотонном бозе-конденсате и расширили квантовую теорему регрессии на нелинейный случай. Для этого они облучали быстрыми лазерными импульсами резервуар, заполненный красителем. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Если большое количество атомов, заключенных в небольшом объеме, охладить до низких температур, то они становятся неразличимы и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Это состояние называется конденсат Бозе — Эйнштена или просто бозе-конденсат. В таком состоянии система должна подчиняться квантовой теореме регрессии — ее корреляции должны определяться теми же уравнениями движения, что и мгновенные средние. Одной из платформ для проверки этой теоремы может стать фотонный бозе-конденсат, однако получить его физики смогли лишь недавно. И лишь в 2022 году физики под руководством Юлиана Шмидта (Julian Schmitt) разработали платформу для его изучения.

Теперь практически та же группа физиков под руководством Мартина Вайтца (Martin Weitz), Мишеля Вутерса (Michiel Wouters) и Юлиана Шмидта (Julian Schmitt) из Университетов Бонна, Антверпена и Фрайбурга увидела нелинейный отклик в фотонном бозе-конденсате в случае сильных возмущений, что не описывается квантовой теоремой регрессии.

Чтобы создать фотонный бозе-конденсат, ученые облучали лазерным импульсом микрополость, заполненную красителем и заключенную между сферическими зеркальными поверхностями с коэффициентом отражения более 99,998 процента. Молекулы красителя уменьшали энергию фотонов, попавших в ловушку между зеркалами. В результате физикам удалось создать фотонный конденсат Бозе — Эйнштейна. Затем ученые при помощи короткого лазерного импульса создавали возмущение в конденсате и наблюдали за корреляциями второго порядка, чтобы изучить динамику флуктуаций.

В результате ученые подтвердили линейный отклик при слабых возмущениях системы. Более того, такое же поведение конденсата ученые наблюдали при внезапных воздействиях непосредственно на сам резервуар с красителем. По словам ученых, это находится в полном согласии с квантовой теоремой регрессии. Однако при сильных возмущениях ученые увидели нелинейное поведение.

Эти наблюдения позволили расширить квантовую теорему регрессии на нелинейный отклик системы на сильные возмущения. При этом в пределе малых возмущений отклик остается линейным.

Довольно часто физики экспериментально обнаруживают отклонение от предсказанной ранее теории. Например, ранее мы писали, как фотоны нарушили квантово-механический аналог первого закона Ньютона.