測量光子玻色-愛因斯坦凝聚物耦合到染料微腔内儲層的數波動和響應函數的實驗方案。用光電倍增管（PMT）記錄的部分腔體發射産生平均冷凝水群⟨n⟩;另一部分分散在光栅上，光譜過濾的冷凝水演變用條紋相機記錄，得到G(2)（τ）和染料腔失諧Δ。來源：物理評論快報（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.033602

波恩大學的物理學家已經通過實驗證明，統計物理學的一個重要定理适用于所謂的“玻色-愛因斯坦凝聚态”。他們的結果現在使得測量量子“超級粒子”的某些特性成為可能，并推斷出否則難以觀察到的系統特征。該研究現已發表在《物理評論快報》上。

假設在你面前有一個裝滿未知液體的容器。您的目标是找出其中的粒子（原子或分子）由于其熱能而随機來回移動的程度。但是，您沒有顯微鏡可以可視化這些稱為“布朗運動”的位置波動。

事實證明，您根本不需要它：您也可以簡單地将物體綁在繩子上并将其拉過液體。您必須施加的力越大，您的液體就越粘稠。而且它越粘稠，液體中的顆粒平均改變位置就越少。因此，給定溫度下的粘度可用于預測波動的程度。

描述這種基本關系的物理定律是波動-耗散定理。簡單來說，它指出：你需要施加更大的力來擾亂一個系統，如果你不去管它，它本身的随機波動（即統計上）就越小。

“我們現在已經首次證實了該定理對一組特殊量子系統的有效性：玻色 - 愛因斯坦凝聚态，”波恩大學應用物理研究所的Julian Schmitt博士解釋說。

玻色-愛因斯坦凝聚物是由于量子力學效應而可能産生的奇異物質形式：在某些條件下，粒子，無論是原子、分子，甚至是光子（構成光的粒子），都變得無法區分。成百上千的它們合并成一個單一的“超級粒子”——玻色-愛因斯坦凝聚态（BEC）。

在有限溫度的液體中，分子随機來回移動。液體越熱，這些熱波動就越明顯。玻色-愛因斯坦凝聚物也會波動：凝聚粒子的數量各不相同。而且這種波動也随着溫度的升高而增加。

“如果波動耗散定理适用于BEC，那麼它們的粒子數波動越大，它們對外部擾動的反應就越敏感，”Schmitt說。“不幸的是，超冷原子氣體中通常研究的BEC的波動數量太小，無法測試這種關系。

然而，Martin Weitz教授的研究小組，施密特是初級研究小組的負責人，研究由光子制成的玻色 - 愛因斯坦凝聚态。對于此系統，限制不适用。“我們使BEC中的光子與染料分子相互作用，”物理學家解釋說。當光子與染料分子相互作用時，經常發生分子“吞噬”光子的情況。染料因此變得能量激發。它以後可以通過“吐出”光子來釋放這種激發能量。

“由于與染料分子的接觸，我們BEC中的光子數量顯示出很大的統計波動，”物理學家說。此外，研究人員可以精确控制這種變化的強度：在實驗中，光子被困在兩個鏡子之間，在那裡它們以乒乓球遊戲的方式來回反射。

鏡子之間的距離可以改變。它變得越大，光子的能量就越低。由于低能光子不太可能激發染料分子（因此它們被吞咽的頻率較低），因此凝聚光粒子的數量現在波動要小得多。

波恩物理學家現在研究了波動的程度與BEC的“響應”有何關系。如果波動-耗散定理成立，則這種靈敏度應随着波動的減小而降低。

“事實上，我們能夠在我們的實驗中證實這種效應，”施密特強調說，他也是波恩大學跨學科研究領域（TRA）“物質”和卓越集群“ML4Q - 量子計算的物質和光”的成員。

與液體一樣，現在可以從更容易測量的宏觀響應參數中推斷玻色-愛因斯坦凝聚物的微觀特性。“這為新的應用開辟了一條道路，例如複雜光子系統中的精确溫度測定，”Schmitt說。

更多信息：Fahri Emre Öztürk 等人，光子玻色-愛因斯坦凝聚物的波動-耗散關系，《物理評論快報》（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.033602

期刊信息：物理評論快報

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