Nowy rodzaj światła dzięki uwięzieniu fotonów

Podręczniki fizyki należałoby poprawić: fotony ujawniły nowe oblicze po tym, jak fizycy „zaaresztowali” je w lustrzanej pułapce. W tych lustereczkach nikt by się, niestety, nie przejrzał. Dlaczego?

Ponieważ tworzyły one pudełko, a każde ze zwierciadełek oddalone było od następnego o jedną milionową metra, czyli o jeden mikrometr. Najdziwniejsze, że część uczonych nadal nie potrafi uwierzyć w to, czego dokonał zespół z Uniwersytetu w Bonn – ponieważ do tej pory wydawało się, że niemożliwie jest wytworzenie kondensatu Bosego-Einsteina z fotonów.

Ale po kolei.

Tradycyjny kondensat Bosego-Einsteina powstaje, kiedy molekuły schładzane są w okolice temperatury zera absolutnego, aż stają się wielkim, idealnie zgranym zespołem, działającym jak jedna cząsteczka. W kondensacie poszczególne cząstki są nie do odróżnienia. Zjawisko to, uznawane za nowy stan materii, przewidziane zostało już w 1924 przez Satyendrę Natha Bosego i Alberta Einsteina, a dopiero 71 lat później zaobserwowano je po raz pierwszy.

Eksperci uważali, że nie da się tego stanu materii osiągnąć dla fotonów – ponieważ wydawało się to technicznie niewykonalne, aby w jednym czasie można było schładzać światło i łapać fotony. Sugerowano, że fotony, jako cząstki pozbawione masy, mogą być absorbowane przez otaczające je elementy i będą zwyczajnie znikać – co też często się zdarza, kiedy molekuły te są gorące.

Po raz kolejny okazało się jednak, że na wszystko jest sposób – wystarczy tylko pogłówkować i dodać do tego odrobinę uporu. I tak niemieccy fizycy wymyślili lustrzaną pułapkę. Wewnątrz niej umieścili maleńką ilość pigmentu. I stała się rzecz, o której myślano, że nigdy się nie uda: kiedy światło padało na cząstki barwnika, fotony były pochłaniane i emitowane z powrotem.

Świetlne cząstki odbijające się od zwierciadełek robiły się coraz chłodniejsze – aż w końcu osiągały temperaturę otoczenia, co w przypadku miejsca prowadzenia eksperymentu oznaczało, że schłodzone zostały do temperatury pokojowej.

Jako że rozpoczęcie kondensacji zależy od gęstości cząstek, a ta dla fotonów ma wielokrotnie wyższą wartość niż w przypadku innych molekuł, fizycy uważają, że temperaturę pokojową można spokojnie uznać za początek procesu kondensacji dla cząstek światła.

Co w tym eksperymencie najbardziej zaskoczyło uczonych? To, że fotony mogą zachowywać się jak zwyczajne cząstki materii.

Oczywiście z tego odkrycia wynikną korzyści: na początek naukowcom marzą się nowe rodzaje laserów. Tym razem takie, które będą emitować bardzo krótkie fale świetlne. Urządzenia nie powstaną od razu – przecież trzeba najpierw poznać możliwości wynikające z zaskakujących właściwości fotonów; ale za kilka lat na pewno coś w tej dziedzinie drgnie.

Źródło: The Daily Star