科学家研制出可极度压缩的光量子气体，有助于研发新型传感器

近日，德国波恩大学的研究团队首次研制出一种可以被极度压缩的光量子气体。这一发现为研制新型传感器指明了方向，并提供了一个有助于在室温下研究奇异量子相的平台。

实验的核心装置，图片来自波恩大学

气体通常由在空间中高速旋转的原子或分子组成，并很容易被压缩。光与气体非常相似。光的最小组成成分是光子（即光量子），尽管光子的行为在某些方面表现得像粒子，但光子也可以被视为一种不同寻常的气体。此前，科学家通过理论预测人们能够在特定条件下毫不费力地压缩光量子气体。

此次，由波恩大学应用物理研究所(IAP)Martin Weitz教授带领的研究团队首次在实验中证明了前述理论预测，研制出能够被极度压缩的光量子气体。这一成果揭示了可被高度压缩的玻色-爱因斯坦凝聚态的形成。玻色-爱因斯坦凝聚态是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。相关成果发表在《科学》(Science)。

德国波恩大学Martin Weitz研究团队成员在实验室里，图片来自波恩大学

“为了做到这一点，我们把光量子储存在一个用镜子做成的小盒子里，”主要研究人员Julian Schmitt说，“我们放进去的光子越多，光子气体的密度就越大。”

通常情况下，气体密度越大，就越难压缩。起初，随着研究人员放入镜盒的光子越多，气体压缩愈加困难。但在某一时间点上，情况突然发生了变化：一旦光子气体超过了特定密度，研究人员就可以毫不费力地压缩它。

“这种效应源自于量子力学的规则。”Schmitt表示光粒子会表现出一种“模糊性”，即光子的位置变得逐渐模糊。当光子在高密度下彼此非常接近时，就会开始重叠，因此压缩这样的量子简并气体变得很容易。

如果重叠性足够大，光子会融合形成一种超级光子，即玻色-爱因斯坦凝聚态。这一过程可以类比作水的结冰：在液体状态下，水分子是无序的。但在冰点，冰晶会形成，最终合并成一个扩展的、高度有序的冰层。“有序冰岛”恰好在玻色-爱因斯坦凝聚态形成之前形成，随着光子的进一步增加，它们会变得越来越大。只有当这些“冰岛”有序延伸到包含光子的整个镜盒时，凝聚态才会形成。这就好比一个湖泊，独立的浮冰最终结合在一起，形成了一个统一的冰面。

为了创造一种具有可变粒子数和明确温度的气体，研究团队使用了一种“热浴”方法：将分子放入镜盒中，以吸收光子。随后，分子释放出新的光子，这些光子具有分子的平均温度，略低于26.85摄氏度，相当于室温。这一方法将有助于科学家在室温下研究奇异量子相。

此外，团队还克服了另一项实验障碍。由于光子气体的密度通常是不均匀的，研究人员采用一种微观结构的方法，利用一个平底镜盒来捕捉光子，首次成功研制出均匀的光量子气体。

未来，可极度压缩的光量子气体将有助于研发能够测量微小力的新型传感器，这项研究成果不仅具有技术前景，还具有重要的基础研究价值。