来自波恩大学和凯瑟斯劳滕-兰道大学（RPTU）的研究人员成功开发出一种由光组成的一维气体。这一开创性成就使他们第一次验证了关于这种独特物质形态转变的理论预期。他们实验中使用的创新技术为探索量子现象提供了潜力。研究成果已在《自然物理学》期刊上发布。
想象一下自己在游泳池旁，考虑如何增加更多的水。你拿起一根花园水管，向高弧度喷水，使水花溅入池中。水位在溅水点略有上升，但这种增加很小，因为水很快在池面上扩散开来。
相反，如果你将水喷射到沟槽中，它会在水击打的地方形成可见的波浪，因为沟槽的墙壁阻止水自由扩散。水只能沿着沟槽的长度移动。沟槽越窄，产生的波浪越高，表现出“更一维”的特性。
波恩大学应用物理研究所（IAP）的物理学家与RPTU合作，研究是否可以在由光子形成的气体中存在类似的一维效应。“要创造这些气体类型，我们需要在一个受限区域内集中大量的光子，同时还要冷却它们，”参与波恩大学跨学科研究领域“物质”的Dr. Frank Vewinger表示。
微观小沟槽
在他们的实验中，科学家们用染料溶液填充一个微型容器，并用激光照射它。生成的光子在容器的反射壁之间反弹。每当光子击中一个染料分子时，它就被冷却，最终光子气体凝结成形。
通过改变反射壁的表面结构，可以改变气体的维度。IAP的研究人员与来自RPTU的Georg von Freymann教授领导的团队合作进行这一项目。他们对光子容器的反射表面调整了一种高分辨率的结构方法。“我们在反射表面上应用了一种透明的聚合物，以创造微小的突起，”RPTU的Julian Schulz解释道。“这些突起有助于我们在一维或二维中捕获光子并使其凝结。”
“这些聚合物就像一种专门用于光的沟槽，”研究的主要作者Kirankumar Karkihalli Umesh表示。“沟槽越窄，气体的行为越一维。”
热波动干扰凝结点
在二维设置中，存在一个特定的温度临界点使得凝结发生——就像水在零摄氏度时正好结冰。物理学家称之为相变。“然而，当我们创造一维气体而不是二维气体时，情况就不同了，”Vewinger解释道。“在光子气体中，热波动是发生的，但在二维中它们是微小的，对影响很小。然而，在一维中，这些波动会造成显著的干扰。”
这些波动会打乱一维系统内部的秩序，导致气体的不同区域表现得不一致。因此，二维中观察到的明显相变在一维系统中变得越来越“模糊”。尽管如此，量子物理仍然支配着它的性质，类似于被称为简并量子气体的二维气体。这就像水在低温下过渡到类似冰沙的形式而没有完全冻结。“我们现在首次研究了从二维光子气体过渡到一维光子气体的这种行为，”Vewinger详细解释。
研究团队发现一维光子气体缺乏精确的凝结点。通过微调聚合物结构，他们可以更详细地探索在不同维度之间过渡时发生的现象。尽管这仍被归类为基础研究，但它有潜力为量子光学效应的新应用铺平道路。
参与机构及资金：
参与本研究的机构包括：波恩大学IAP、凯瑟斯劳滕的弗劳恩霍夫工业数学研究所（ITWM）和凯瑟斯劳滕-兰道大学（RPTU）。本研究得到了欧盟的欧洲研究委员会（ERC）和德国研究基金会（DFG）的支持，作为协作研究中心TRR 185的一部分。
