近日，德國波恩大學的研究團隊首次研制出一種可以被極度壓縮的光量子氣體。這一發現為研制新型傳感器指明了方向，并提供了一個有助于在室溫下研究奇異量子相的平臺。

實驗的核心裝置，圖片來自波恩大學

氣體通常由在空間中高速旋轉的原子或分子組成，并很容易被壓縮。光與氣體非常相似。光的最小組成成分是光子（即光量子），盡管光子的行為在某些方面表現得像粒子，但光子也可以被視為一種不同尋常的氣體。此前，科學家通過理論預測人們能夠在特定條件下毫不費力地壓縮光量子氣體。

此次，由波恩大學應用物理研究所(IAP)Martin Weitz教授帶領的研究團隊首次在實驗中證明了前述理論預測，研制出能夠被極度壓縮的光量子氣體。這一成果揭示了可被高度壓縮的玻色-愛因斯坦凝聚態的形成。玻色-愛因斯坦凝聚態是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態。相關成果發表在《科學》(Science)。

德國波恩大學Martin Weitz研究團隊成員在實驗室里，圖片來自波恩大學

“為了做到這一點，我們把光量子儲存在一個用鏡子做成的小盒子里，”主要研究人員Julian Schmitt說，“我們放進去的光子越多，光子氣體的密度就越大。”

通常情況下，氣體密度越大，就越難壓縮。起初，隨著研究人員放入鏡盒的光子越多，氣體壓縮愈加困難。但在某一時間點上，情況突然發生了變化：一旦光子氣體超過了特定密度，研究人員就可以毫不費力地壓縮它。

“這種效應源自于量子力學的規則。”Schmitt表示光粒子會表現出一種“模糊性”，即光子的位置變得逐漸模糊。當光子在高密度下彼此非常接近時，就會開始重疊，因此壓縮這樣的量子簡并氣體變得很容易。

如果重疊性足夠大，光子會融合形成一種超級光子，即玻色-愛因斯坦凝聚態。這一過程可以類比作水的結冰：在液體狀態下，水分子是無序的。但在冰點，冰晶會形成，最終合并成一個擴展的、高度有序的冰層。“有序冰島”恰好在玻色-愛因斯坦凝聚態形成之前形成，隨著光子的進一步增加，它們會變得越來越大。只有當這些“冰島”有序延伸到包含光子的整個鏡盒時，凝聚態才會形成。這就好比一個湖泊，獨立的浮冰最終結合在一起，形成了一個統一的冰面。

為了創造一種具有可變粒子數和明確溫度的氣體，研究團隊使用了一種“熱浴”方法：將分子放入鏡盒中，以吸收光子。隨后，分子釋放出新的光子，這些光子具有分子的平均溫度，略低于26.85攝氏度，相當于室溫。這一方法將有助于科學家在室溫下研究奇異量子相。

此外，團隊還克服了另一項實驗障礙。由于光子氣體的密度通常是不均勻的，研究人員采用一種微觀結構的方法，利用一個平底鏡盒來捕捉光子，首次成功研制出均勻的光量子氣體。

未來，可極度壓縮的光量子氣體將有助于研發能夠測量微小力的新型傳感器，這項研究成果不僅具有技術前景，還具有重要的基礎研究價值。

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