В целом частицы можно разделить на фермионы и бозоны (с полуцелым и целым значением спина). Когда вы охлаждаете бозоны до температур, близких к абсолютному нулю, они могут сконденсироваться в коллективное состояние материи, известное как конденсат Бозе — Эйнштейна, когда довольно большое число атомов оказывается в идентичном квантовом состоянии, что позволяет наблюдать разные необычные феномены, вроде той же сверхпроводимости.
Первый опыт по получению конденсата имел дело с атомами рубидия, охлаждёнными почти до абсолютного нуля. Слева — данные по распределению скорости атомов до появления конденсата, в центре — сразу после, справа — через некоторое время. (Илл. R. Zhang.)
От теоретического постулирования конденсата в 1925 году до его первого обнаружения в лаборатории прошло 60 лет, но до покорения всех вершин, связанных с этим явлением, всё ещё очень далеко. В частности, конденсат получали на основе атомов рубидия в газообразном состоянии, хотя было бы куда лучше иметь дело с фотонами. Кроме чисто теоретического значения, такой результат мог бы найти и применение — в лазерах с необычными свойствами или даже новых типах солнечных батарей.
Но могут ли фотоны «сконденсироваться»? Частицы света не имеют массы, а ведь её наличие кажется ключевым требованием для получения конденсата Бозе — Эйнштейна. Чтобы преодолеть эту сложность, физики пробовали удерживать свет в оптическом резонаторе, между двумя параллельными светоотражающими пластинами, что заставило бы фотоны вести себя так, словно масса у них есть. Чтобы свет не «утекал» из такой ловушки, её стенки следует выполнять слегка искривлёнными.
В 2010 году было экспериментально показано, что создание такой ловушки вполне реально, но оставались серьёзные проблемы с интерпретацией результатов таких опытов. Чтобы быть уверенными в них, надо было выполнить несколько специфических требований. Во-первых, вся система должна быть двумерной, абсолютно плоской, что весьма непросто реализовать в трёхмерном мире. Во-вторых, нужна уверенность, что среда между фотонами (а это не воздух) не влияет на их «конденсацию» при охлаждении.
Поэтому Алексей Крючков из Швейцарской политехнической школы в Лозанне разработал новую математическую модель, описывающую процессы «конденсации» частиц света в трёхмерном пространстве и при реальных условиях окружающей среды. Для этого он учёл влияние среды оптического резонатора на поведение пойманных туда фотонов и ввёл в модель статистику бозе-эйнштейновского конденсата для 3D-условий. Что особенно важно, его теоретическая модель фотонной конденсации соответствует измерениям, полученным в ходе экспериментов. Кроме того, она показала, что энергия света действительно может быть накоплена в таком конденсате.
Общая схема одной из ранее предложенных оптических ловушек, пригодных для создания фотонного «конденсата» (илл. J. Schmit).
По сути, модель предполагает более полную теорию фотонного конденсата Бозе — Эйнштейна, создавая новое направлении в современный физике. Сам феномен, по г-ну Крючкову, можно будет наблюдать при комнатной температуре (как и в опытах 2010 года), что делает его много более доступным в техническим смысле, чем те сверхнизкие температуры, при которых конденсат Бозе — Эйнштейна возникает в гелии-4 или атомах, подвергаемых лазерному охлаждению, вроде того же рубидия.
Именно благодаря отсутствию низких температур предполагается, что феномены той же степени необычности, как сверхтекучесть и тому подобное, теперь могут быть использованы и в коротковолновых (рентгеновских?) лазерах нового поколения, и, быть может, в солнечных батареях, чтобы «конденсировать» входящий солнечный свет и тем самым минимизировать его потери при преобразовании в электричество.
Пока неясным остаётся только вот что: можно ли в одном оптическом резонаторе получить более одного типа фотонной «конденсации»? Если можно, то общие возможности систем такого рода могут быть даже шире, чем считается.
Отчёт об исследовании вскоре появится в журнале Physical Review A, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.
По материалам Швейцарской политехнической школы в Лозанис.
Источник: compulenta.computerra.ru
