Немецкие физики научились охлаждать и конденсировать свет

Ученые в Германии заставили фотоны — «частицы» электромагнитного излучения — вести себя подобно атомам, составляющим твердые тела, что может быть использовано при создании новых типов лазеров и для повышения эффективности солнечных элементов, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале Nature.

Явление образования так называемого конденсата Бозе-Эйнштейна, описанное на примере фотонов группой Мартина Вейца (Martin Weitz) из Боннского университета в Германии, интересно прежде всего с фундаментальной точки зрения, так как позволяет наблюдать у группы частиц свойства, характерные для единичной частицы. Впервые экспериментально оно было продемонстрировано на атомах металлов, которые охлаждали до температуры, близкой к абсолютному нулю, и удерживали в специальной ловушке. В этом состоянии атомы теряют различия и при сближении образуют новое конденсированное состояние, проявляющее свойства одиночной атомарной частицы.

Физики, в том числе и авторы этого эксперимента, удостоенные Нобелевской премии в 2001 году, до последнего времени были убеждены, что проделать подобный опыт можно только с атомами, так как более легкие частицы — фотоны — охладить и удержать в ловушке (сконденсировать) невозможно. Несмотря на то, что фотоны обладают свойствами частиц, они, прежде всего, проявляют выраженную волновую природу. При попытке уменьшить их энергию, то есть охладить, неизбежно происходит их поглощение элементами научных приборов.

Чтобы показать, что получить конденсат Бозе-Эйнштейна можно и с помощью фотонов, ученые под руководством Вейца разработали специальную камеру, стенки которой представляли собой два вогнутых зеркала. Микронные размеры этой камеры позволили авторам статьи ограничить перемещение фотонов в пространстве внутри нее. Внутреннее пространство камеры было заполнено органическим веществом — красителем, который поглощал и заново излучал впускаемые в камеру фотоны с помощью коротких лазерных импульсов. Так ученым удалось добиться формирования равновесного энергетического состояния фотонов находящихся в ловушке при комнатной температуре.

Потом ученые начали увеличивать количество фотонов в ловушке, делая источник света на входе в нее немного ярче. Это увеличивало количество частиц света, принимающих участие в формировании энергетического равновесия до тех пор, пока частиц не стало слишком много. Эти «лишние» фотоны, не имеющие возможности вступить в процесс образования энергетического равновесия с другими фотонами, начали образовывать конденсированную фазу, переходя в одно и то же состояние с наименьшей возможной энергией. Обнаружить ее формирование ученые смогли по появлению яркого лазерного луча желтого цвета на выходе из ячейки, тогда как источник для насыщения ловушки частицами имел зеленую окраску.

«Этот до смешного простой эксперимент намного легче реализовать, чем формирование конденсата Бозе-Эйнштейна из охлажденных атомов металлов», — прокомментировал работу Матиас Вейдемюллер (Matthias Weidemuller) из университета Фрайберга, слова которого приводит интернет-издание Nature News.

По его мнению, эта методика конденсации света может быть особенно эффективной при использовании солнечных элементов для выработки энергии в условиях пасмурной погоды, когда оптические линзы бесполезны. В будущем она может найти применение и для создания новых источников коротковолнового лазерного излучения, в том числе и рентгеновского.