Свет заперли между зеркалами и охладили до комнатной температуры

Физики превратили свет в конденсат Бозе — Эйнштейна с помощью красителя и двух почти идеальных зеркал. В результате фотоны проявили квантовые свойства в масштабе, который можно увидеть невооруженным глазом. Результаты исследования, опубликованного в Physical Review Letters, помогут в приготовлении запутанных квантовых состояний.

Добиться основного состояния в сложных квантовых системах, чтобы макроскопически наблюдать квантовые эффекты, можно с помощью термализации — вымораживания тепловых колебаний. Это приводит к тому, что исследуемая материя превращается в конденсат Бозе — Эйнштейна — агрегатное состояние вещества, в котором большинство элементарных частиц с целым спином (бозонов) находится в одинаковом минимально возможном квантовом состоянии. Например, чтобы охладить атомы до такого состояния, ученые применяют оптические решетки.

В свою очередь, оптики использовали контакт с равновесным резервуаром для охлаждения фотонного газа, чтобы получить бозе-конденсат. Этот способ перехода фотонов в основное состояние лучше классического метода чередования усиления и потерь излучения, так как последний ограничен с энергетической точки зрения. При этом исследователи продолжают поиски новых методов охлаждения фотонного газа.

Физики из Боннского университета во главе с Андреасом Редманном (Andreas Redmann) предложили еще один способ термализации фотонов, на этот раз с помощью красителя и двух зеркал. В результате эксперимента команде ученых удалось охладить фотонный газ до комнатной температуры.

Исследователи заперли фотоны между двумя зеркалами, которые отражают 99,997 процента падающего света. На одном из зеркал они отпечатали четыре выемки шириной 6,7 микрометра и глубиной около 0,8 нанометра. Таким образом ученые структурировали в пространстве положение фотонов и не позволили им покинуть пределы потенциальной ловушки. Зазор в 1,8 микрометра между зеркалами исследователи заполнили раствором красителя Родамин 6G в этиленгликоле, который часто используется в лазерной физике и флуоресцентной микроскопии. Для инжекции начального количества фотонов и компенсации тех, что пропускали наружу зеркала, физики использовали квазинепрерывное лазерное излучение с длиной волны 532 нанометра.

Благодаря тому, что частицы красителя постоянно поглощали и переизлучали фотоны, последние достигли температуры колебательно-вращательного движения молекул Родамина 6G — около 27 градусов Цельсия. Физики записали широкополосные спектры излучения фотонов и сопоставили полученные состояния с теоретически предсказанными. Оказалось, что в диапазоне от 579,7 до 584,1 нанометра экспериментальные данные хорошо совпадают с аналогичными для бозе-конденсата при комнатной температуре. Конденсацию фотонов также удалось подтвердить с помощью визуализации излучения из полости между зеркалами на камеру: пространственное распределение фотонного газа сошлось с ожидаемым.

Физики отмечают, что их работа открыла перспективы в приготовлении многочастичных запутанных состояний фотонов и создании новых видов оптических кубитов для квантовых вычислителей.

Ученые уже не первый раз замораживают свет, чтобы исследовать его свойства. О том, как они увидели нелинейный отклик в фотонном бозе-конденсате, мы писали в начале лета.