Ученые создали «суперфотон» – конденсат Бозе – Эйнштейна из фотонов

ТЕКСТ: Николай Подорванюк

ФОТО: Jan Klaers, University of Bonn 

«суперфотон», конденсат Бозе – Эйнштейна из фотонов, получение которого до сих пор считалось невозможным в рамках фундаментальной науки. Этой работе будет найдено широкое применение, от новых компьютерных микрочипов до солнечных батарей, работающих в пасмурную погоду.

Помимо известных каждому семикласснику трех агрегатных состояний вещества (твердое тело, жидкость и газ), существуют и другие агрегатные состояния. Одним из них является конденсат Бозе – Эйнштейна – состояние материи, которое достигается при температурах, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии вещество начинает проявлять различные интересные свойства, например группа частиц ведет себя, как одиночная частица. Возможность такого состояния была предсказана в 1925 году Альбертом Эйнштейном. В 1995 году американские физики Эрик Корнелл и Карл Виман поставили эксперимент, в ходе которого получили бозе-эйнштейновский конденсат (за это открытие они в 2001 году вместе с немцем Вольфгангом Кеттерле получили Нобелевскую премию).

В своем эксперименте ученые использовали атомы металла (рубидия).

А вот идея создать конденсат Бозе-Эйнштейна из других частиц, в частности фотонов, чтобы система вела себя как один «суперфотон», натолкнулась на фундаментальную проблему. Дело в том, что фотоны, хотя и обладают свойствами частиц, при охлаждении поглощались окружающими материалами, проявляя тем самым свою волновую природу.

Физикам из Боннского университета во главе с Мартином Вейтцем удалось решить эту проблему.

Причем они создали конденсат Бозе-Эйшнтейна при комнатной температуре.

В одном из описаний этой работы присутствует, например, такое словосочетание, как «маленькая сенсация». Зоран Хаджибабич из Кембриджского университета сказал New Scientist, что работа немецких ученых, которая опубликована в Nature, «замыкает круг, который теоретически начали рисовать Бозе и Эйнштейн 85 лет назад».

Восхищения заслуживает и простота экспериментальной установки немецких физиков. В своем эксперименте они использовали два вогнутых зеркала высокой отражающей способности, удаленные друг от друга на расстояние 1 микрон (10^-6 метра). Зеркала были помещены в «краситель» – жидкую органическую среду красного цвета. В эту среду экспериментаторы импульсно пускали лучи зеленого лазера. Свет, многократно отражаясь от зеркал, проходил через «краситель». При этом молекулы «красителя» поглощали лазерные фотоны и переизлучали их с более низкой энергией, в желтой области видимого цвета. То есть ученые достигли в своей ловушке равновесного энергетического состояния фотонов при комнатной температуре.

«В ходе этого процесса фотоны охладились до комнатной температуры и при этом они «не потерялись», – объяснил Мартин Вейтц.

Увеличив количество фотонов в установке (для этого нужно было сделать лазер поярче), ученые добились плотности около триллиона фотонов на кубический сантиметр. При такой плотности появились фотоны, которые не могли поучаствовать в энергетическом равновесии. Эти избыточные фотоны одновременно перешли в состояние конденсата Бозе – Эйнштейна, сконденсировались в один большой «суперфотон». «Все фотоны начали идти нога в ногу», – так прокомментировал Вейтц это явление.

По сравнению с формированием конденсата Бозе – Эйнштейна из охлажденных атомов рубидия нынешний эксперимент кажется до смешного простым», – заявил Nature News Матиас Вейдемюллер из университета Фрайберга. Он считает, что методика конденсации света, предложенная немецкими учеными, может быть особенно эффективной для сбора и фокусировки солнечных лучей в солнечных батареях в пасмурную погоду, когда нет возможности собирать прямое освещение.

Кроме того, эта схема может позволить создать новые источники коротковолнового лазерного излучения, в частности рентгеновского.

Сам Вайтц считает, что работа его и коллег может помочь в дальнейшем уменьшить размеры электронных устройств, в частности компьютерных микрочипов. Это, в свою очередь, может позволить создать компьютеры нового поколения, с большей производительностью, чем нынешние.

«Когда я читаю лекции, то рассказываю студентам, почему бозе-эйнштейновский конденсат не может быть получен с использованием фотонов, чтобы показать фундаментальное различие между фотонами и атомами. Но теперь это различие исчезло».