Системы из нескольких элементарных частиц ведут себя как системы из миллиардов частиц

Система, состоящая всего из нескольких частиц, ведет себя так, будто она гораздо крупнее. Это сильно упрощает задачу изучения квантового поведения.

Большинство веществ, которые изучают физики, состоят из огромного числа частиц — настолько, что при нем пропадают различия в поведенческих свойствах между каплей и бассейном чистой воды. Даже в одной капле может содержаться более квадриллиона частиц. Это делает понимание их коллективного поведения относительно простым. Например, вода в капле и в бассейне замерзнет при нулевой температуре и закипит при 100 градусах Цельсия.

Такие «фазовые переходы» могут выглядеть резкими в больших системах, так как в них вовлечено столько частиц, что кажется, будто они все действуют одновременно. Но что можно сказать о меньших системах, в которых всего несколько частиц? Применимы ли те же правила фазовых переходов к ним?

Чтобы ответить на этот вопрос, команда ученых из Имперского колледжа в Лондоне, Оксфордского университета и Технологического института Карлсруэ в Германии создала систему менее чем из десяти фотонов — фундаментальных частиц света. Результаты их эксперимента, опубликованные в журнале Nature Physics, показывают, что фазовые переходы происходят даже в системах, состоящих в среднем из семи частиц.

Чем меньше частиц, тем проще исследовать их квантовое поведение, так что факт возникновения фазовых переходов в этих малых системах означает, что у физиков появилась возможность изучить такие квантовые свойства, как, например, когеренция.

Микрорезонатор, заполненный красителем, позволяющий характеризовать порог конденсации / © Imperial College London

«Теперь, когда подтвердилось, что «фазовый переход» остается полезной концепцией в таких малых системах, мы можем исследовать свойства теми методами, которые невозможны в более крупных системах, — рассказывает ведущий автор исследования доктор Роберт Наймэн из Имперского колледжа в Лондоне. — В частности, мы можем изучать квантовые свойства материи и света — это происходит на самых малых масштабах, когда случается фазовый переход».

Команда изучала конденсат Бозе — Эйнштейна из фотонов. Бозе-конденсаты образуются, когда газ из квантовых частиц настолько охлажден или его частицы находятся так близко друг к другу, что их уже невозможно различить. Бозе-эйнштейновский конденсат — это состояние материи, чьи свойства отличаются от свойств твердых тел, жидкостей, газов или плазм.

Исследователи обнаружили, что при добавлении фотонов в систему фазовый переход в бозе-конденсате происходит, когда система достигает размера примерно семи фотонов — меньше, чем в любом другом таком конденсате, наблюдаемом ранее. При таких малых размерах переход менее резкий, чем в крупных системах, но факт того, что он произошел в предсказуемый момент, корректно отображает этот процесс в крупных системах.

Систему создали при помощи простого аппарата — флуоресцентного красителя и изогнутых зеркал. То есть, помимо того, что это полезно при изучении квантовых свойств, систему можно использовать и для создания особых состояний света и их манипуляции.