Science：光的一种新状态

一个“超级光子”由成千上万个单独的光粒子组成：大约十年前，研究人员第一次产生了这种极端的聚集态。研究人员报道了光学玻色-爱因斯坦凝聚体中一种新的、以前未知的相变。这是一个过阻尼阶段。

一个“超级光子”由成千上万个单独的光粒子组成：大约十年前，波恩大学的研究人员第一次产生了这种极端的聚集态，并提出了一种全新的光源。这种状态被称为光学玻色-爱因斯坦凝聚态，从那时起就吸引了许多物理学家，因为这种奇特的光粒子世界是它自身物理现象的家园。

由发现超光子的马丁·韦茨教授领导的研究人员，而理论物理学家约翰克罗哈教授（Dr.Johann Kroha）最近一次对量子世界的“探险”归来，进行了一次非常特殊的观察。他们报道了光学玻色-爱因斯坦凝聚体中一个新的，以前未知的相变。这就是所谓的过阻尼阶段。从长远来看，这一结果可能与加密量子通信有关。这项研究发表在《科学》杂志上。

玻色-爱因斯坦凝聚体是一种极端的物理状态，通常只在非常低的温度下发生。特别之处：这个系统中的粒子不再是可分辨的，它们主要处于相同的量子力学状态，换句话说，它们的行为就像一个巨大的“超级粒子”。因此，这种状态可以用一个波函数来描述。

2010年，由martinweitz领导的研究人员首次成功地从光粒子（光子）中产生了玻色-爱因斯坦凝聚体。他们的特殊系统至今仍在使用：物理学家们将光粒子困在一个谐振器中，谐振器由两个间隔仅超过一微米的曲面镜构成，反射一束快速往复的光束。这个空间充满了液体染料溶液，用来冷却光子。这是通过染料分子“吞下”光子，然后再把它们吐出来，从而使光粒子达到染料溶液的温度——相当于室温。背景：这个系统首先使轻粒子冷却成为可能，因为它们的自然特性是冷却时溶解。

两相的清晰分离

相变是物理学家所说的冻结期间水和冰之间的转变。但是在被捕获的轻粒子系统中，这种特殊的相变是如何发生的呢？科学家们这样解释：有些半透明的反射镜会导致光子的丢失和替换，从而产生一种不平衡，导致系统无法假设一定的温度，并被设定为振荡状态。这就在振荡相位和阻尼相位之间产生了一个过渡。“阻尼”意味着振动的振幅减小。“可以说，我们观察到的过阻尼相位对应于光场的一种新状态，”主要作者Fahri Emre&Ouml；zt&uuml；rk说，他是波恩大学应用物理研究所的博士生。其特点是激光的效应通常不与玻色-爱因斯坦凝聚态的效应通过相变分离，而且两个态之间没有明确的边界。这意味着物理学家可以在效应之间不断地来回移动。

“然而，在我们的实验中，光学玻色-爱因斯坦凝聚态的过阻尼态被振荡态和标准激光的相变所分离，”研究负责人Martin Weitz教授说这表明有一个玻色-爱因斯坦凝聚态，它确实是一个不同于标准激光器的状态。”换言之，我们正在研究光学玻色-爱因斯坦凝聚体的两个独立阶段，”他强调说。

研究人员计划将他们的发现作为进一步研究的基础，在多重耦合光凝聚体中寻找光场的新状态，这也可能发生在系统中如果合适的量子力学纠缠态出现在耦合光凝聚体中，这对于在多个参与者之间传输量子加密信息来说可能是有趣的，”Fahri Emre&Ouml；zt&uuml；rk.

资助

这项研究得到了凯瑟斯劳滕大学和波恩大学的合作研究中心TR 185“奥斯卡——通过与水库的定制耦合控制原子和光子量子物质”以及科隆大学、亚琛大学、波恩大学和该研究中心的卓越集群ML4Q的资助巫妖中心，由德国研究基金会资助。卓越集群位于波恩大学的跨学科研究领域（TRA）“物质和基本相互作用的构建块”。此外，这项研究还得到了欧盟“PhoQuS——量子模拟光子”项目和德国航空航天中心的资助，并得到了联邦经济和能源部的资助

Journal Reference:

1. Fahri Emre Öztürk, Tim Lappe, Göran Hellmann, Julian Schmitt, Jan Klaers, Frank Vewinger, Johann Kroha, Martin Weitz. Observation of a non-Hermitian phase transition in an optical quantum gas. Science, 2021; 372 (6537): 88 DOI: 10.1126/science.abe9869

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University of Bonn. "A new state of light: Physicists observe new phase in Bose-Einstein condensate of light particles." ScienceDaily. ScienceDaily, 1 April 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210401151258.htm>.

University of Bonn. (2021, April 1). A new state of light: Physicists observe new phase in Bose-Einstein condensate of light particles. ScienceDaily. Retrieved April 3, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210401151258.htm

University of Bonn. "A new state of light: Physicists observe new phase in Bose-Einstein condensate of light particles." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210401151258.htm (accessed April 3, 2021).