Немецкие физики впервые получили конденсат Бозе-Эйнштейна из фотонов

Получение конденсации Бозе-Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов удостоилось 9 лет назад Нобелевской премии. Теперь немецким физикам удалось получить такой же конденсат из частиц света.

О том, что такое конденсат Бозе-Эйнштейна, физики-теоретики узнали в 1924 году, когда Шатьендранат Бозе и Альберт Эйнштейн обосновали возможность перевода вещества в особое сверхконденсированное состояние путем охлаждении до чрезвычайно низких температур. Однако реализовать этот переход на практике в лабораторных условиях физикам-экспериментаторам удалось лишь в 1995 году, за что они 6 лет спустя удостоились Нобелевской премии.

Пятое агрегатное состояние вещества

Конденсат Бозе-Эйнштейна порой именуют пятым агрегатным состоянием вещества - наряду с твёрдым, жидким, газообразным и плазмой. Главная же его особенность состоит в том, что образующие его атомы при температурах, близких к абсолютному нулю, переходят на самый низкий энергетический уровень из всех возможных, как бы теряют при этом свою самостоятельность и начинают вести себя как один гигантский атом. "Их можно воспринимать как атомы, марширующие строго синхронно, - поясняет Вольфганг Кеттерле, один из нобелевских лауреатов. - Однако на самом деле речь здесь идет о квантово-механическом взаимодействии, поэтому вернее было бы, пожалуй, говорить о своего рода огромной волне материи, волне, в которой согласованно участвуют все атомы".

Самый первый конденсат Бозе-Эйнштейна, полученный экспериментально американцами Эриком Корнеллом и Карлом Уименом, представлял собой висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из двух тысяч атомов рубидия, охлаждённых до температуры, лишь на 2 стомиллионных доли градуса превышающей абсолютный нуль. Спустя всего три месяца немцу Вольфгангу Кеттерле удалось получить в 100 раз больше конденсата из атомов натрия.

С тех исследования в этой области идут полным ходом. И вот теперь группа физиков Боннского университета иммет все основания говорить о новом прорыве. Ян Клерс (Jan Klärs), один из авторов работы, поясняет: "Этот эффект в отношении атомов известен с 1995 года. А нам удалось теперь добиться того же эффекта с фотонами. До сих пор считалось, что это едва ли возможно".

Ловушка для света

Фотон - это квант (то есть мельчайшая порция) электромагнитного излучения, элементарная частица, не обладающая массой покоя и способная существовать, только перемещаясь со скоростью света. Говоря о фотонах, обычно имеют в виду электромагнитное излучение в видимом диапазоне частот - проще говоря, свет. То, что фотоны в принципе поддаются бозе-эйнштейновской конденсации, было ясно давно, но все попытки добиться этого экспериментально до сих пор заканчивались безрезультатно. И вот теперь немецким физикам это удалось.

Тут следует напомнить, что если разогревать, скажем, вольфрамовую нить обычной лампы накаливания, то она начинает светиться сначала красным, потом желтым, а под конец - даже голубоватым светом. То есть по цвету излучения можно судить о температуре светящегося объекта: голубой свет горячее зеленого, зеленый - желтого, желтый - красного. Кроме того, от температуры зависит и интенсивность излучения: сильно раскаленная нить светит ярко, а по мере ее охлаждения количество испускаемых фотонов уменьшается. Поэтому получить необходимое для конденсации Бозе-Эйнштейна количество холодных фотонов было крайне сложно. установка резонаторов

Ключевым элементом лабораторной установки боннских ученых является оптический микрорезонатор - миниатюрная ловушка света, выполненная из изогнутых зеркал, - говорит Ян Клерс: "Это два зеркала с очень высокой отражательной способностью, то есть они отражают практически весь попадающий на них свет, так что утечка наружу равна, можно сказать, нулю. Лазерным лучом в эту камеру, в этот микрорезонатор, мы запускаем некоторое количество фотонов, и они там мечутся между зеркалами".

Как охладить фотоны?

Поскольку же ширина щели между зеркалами составляет всего 1,5 микрометра, внутри оптической ловушки резонирует только желтый и зеленый свет - более длинные волны в ней, так сказать, "не помещаются". Но для получения конденсата Бозе-Эйнштейна все пойманные в ловушку фотоны должны иметь строго одну и ту же длину волны. Значит, зеленые фотоны с более высокой энергией следовало охладить до температуры желтых фотонов. Именно это и считалось долгое время невозможным. Но боннские ученые нашли выход: они заполнили микроскопическую щель резонатора ярко-оранжевой жидкостью.

"Обычно, если фотоны охладить, они просто исчезают, - говорит руководитель проекта, профессор Института прикладной физики при Боннском университете Мартин Вайц (Martin Weitz). - Краситель же выполняет функцию хладагента, снижающего температуру фотонов до комнатной. В этом, собственно, и состоит трюк: благодаря рассеянию на молекулах фотоны меняют цвет, но не исчезают".

Новые источники света

Наращивая интенсивность лазерной излучения, то есть увеличивая количество фотонов в микрорезонаторе, заполненном раствором красителя, исследователям удалось-таки получить конденсат Бозе-Эйнштейна. Этот переход произошел, когда количество фотонов в ловушке достигло примерно 80 тысяч. "Начиная с этого момента, микрорезонатор начинает испускать фотоны строго одного цвета, то есть с одинаковой энергией и одинаковой длиной волны. Они ведут себя как один огромный фотон, что является типичным признаком бозе-эйнштейновской конденсации", - говорит Ян Клерс.

Конечно, все это - строго говоря, сугубо фундаментальные исследования в области квантовой оптики. Но их прикладное значение просматривается уже сегодня. Ведь получение конденсации Бозе-Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов 15 лет назад позволило очень быстро создать совершенно новый источник света - атомный лазер, в котором источником когерентного излучения служили синхронизированные атомы. Нынешнее открытие боннских ученых не менее перспективно: на основе фотонного конденсата Бозе-Эйнштейна могут быть созданы лазеры, излучающие в диапазоне очень коротких волн. Потребность в таких ультрафиолетовых или даже рентгеновских лазерах сегодня очень велика - прежде всего, в медицине, а также в производстве полупроводниковых компонентов.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман

DW