Jak możemy przeczytać w najnowszym artykule opublikowanym w periodyku Nature Physics, naukowcy z Uniwersytetu w Bonn jako pierwsi na świecie stworzyli jednowymiarowy gaz składający się nie tyle z cząsteczek, czy atomów, a z samych fotonów, tj. cząstek światła.
Można zatem powiedzieć, że badaczom tak naprawdę udało się stworzyć zupełnie nowy stan skupienia materii: gaz fotonowy. Celem takiego działania było stworzenie lepszych warunków do badania samych fotonów i ich zachowania na poziomie kwantowym.
Czytaj także: Polacy łapią z Amerykanami dwutlenek węgla. Ta metoda przetwarza gaz w cenne paliwo
Stworzenie gazu fotonowego nie należy jednak do rzeczy prostych. Wszak, mówimy tutaj nie o atomach, a o cząstkach światła poruszających się z… prędkościami światła. Naukowcy mieli zatem za zadanie zamknięcie dużej ilości fotonów w ograniczonej przestrzeni i jednoczesne ich ochładzanie. W tym celu naukowcy skierowali wiązkę laserową w kierunku pojemnika odbijającego światło i wypełnionego barwnikiem. Plan był taki, aby fotony tworzące wiązkę laserową ochłodziły się, a następnie uległy kondensacji. Jak wszystkie bozony bowiem po schłodzeniu do temperatury bliskiej temperatury zera absolutnego, tracą one swoją energię i przyjmują identyczny stan energetyczny. Zamiast chaotycznego obłoku wibrujących cząstek tworzących zwykły gaz, otrzymujemy wtedy obłok dosłownie identycznych cząstek tworzących tzw. kondensat Bosego-Einsteina.
Na tym etapie robi się szczególnie ciekawie. Okazuje się bowiem, że obszary, na których dane cząstki może istnieć, są większe od przestrzeni między poszczególnymi cząstkami. Efekt? Fotony tworzące gaz tego typu zachowują się, jakby były jednym dużym fotonem.
We wcześniejszych eksperymentach naukowcom udało się już stworzyć dwuwymiarowe gazy fotonowe. Z jednej strony było to trudne, z drugiej było dużo łatwiejsze od stworzenia gazu jednowymiarowego. Jakiekolwiek bowiem fluktuacje termiczne w dwóch wymiarach nie mają dużego znaczenia. W jednym wymiarze jednak znaczą bardzo dużo.
Czytaj także: W laboratorium po raz pierwszy powstał fenomen: dwuwymiarowe ciało nadstałe. Do czego można je wykorzystać?
Podejmując się tego wyzwania, naukowcy stworzyli niewielki pojemnik, którego ściany wewnętrzne odbijają promieniowanie. Pojemnik najpierw wypełniono gazowym barwnikiem, a następnie skierowano do jego wnętrza wiązkę fotonów. Cząstki światła następnie odbijały się od ścian pojemnika, po drodze uderzając w cząsteczki barwnika. Każde takie zderzenie odzierało je stopniowo z energii, dzięki czemu fotony powoli zaczęły skupiać się w jednym miejscu. Ostatecznie wszystkie fotony ustawiły się w jednej jednowymiarowej linii.
Osiągnięcie to przynosi jednak wymierne korzyści. Naukowcy byli w stanie potwierdzić w ten sposób, że jednowymiarowy gaz fotonowy zachowuje się zupełnie inaczej od gazu dwuwymiarowego. Teraz przed badaczami szczegółowa analiza danych, która może dostarczyć nam informacji o nowych efektach kwantowych, których wcześniej jeszcze nie obserwowaliśmy w przyrodzie.