Как уловить и конденсировать свет при реалистичных условиях среды?
Квантовые частицы можно разбить на два типа: фермионы и бозоны. При охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, бозоны сгущаются до состояния материи, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна, где они занимают одно и то же квантовое состояние. В КБЭ наблюдаетсямасса поразительных феноменов – например, сверхпроводимость (способность проводить электричество с нулевым сопротивлением.
Одной из нерешенных проблем физики является создание конденсата Бозе-Эйнштейна из фотонов (для лазерных технологий и даже для солнечных батарей нового типа). Но аспирант Федеральной политехнической школы (Лозанна) Алекс Крючков (Alex Kruchkov) разработал реалистичную теоретическую модель сгущения фотонов в трехмерном пространстве.
Физики давно пытаются решить – можно ли конденсировать фотоны (частицы, из которых состоит свет)? Главное препятствие состоит в том, что фотоны не имеют массы (а это ключевое условие конденсата Бозе-Эйнштейна). Есть и вариант решения этой проблемы –оптический резонатор, где свет удерживается между двумя параллельными рефлективными пластинами, которые заставляют фотоны вести себя так, будто у них есть масса. Однако из-за прямых форм резонатора свет «протекает» и убегает из ловушки.
В 2010 году была опубликована статья с результатами эксперимента, показавшего, что фотоны можно надолго удержать в резонаторе с искривленными пластинами. Тем не менее, выстроить теоретическую модель на основе этого эксперимента пока не удавалось, так как он предполагал двухмерность системы и то, что среда между фотонами не влияет на их конденсацию.
Крючков же разработал математическую модель уплотнения света в трехмерном пространстве и при реалистичных условиях. Опираясь на предыдущие попытки, ученый принял во внимание влияние внутренней среды резонатора на поведение пойманных фотонов. Кроме того, он расширил модель и учел статистику КБЭ в условиях трехмерного пространства. В итоге модель Крючкова показала полное соответствие экспериментальным измерениям и продемонстрировала, что в КБЭ возможно накапливать световую энергию.
Новая модель представляет более законченную теорию конденсата Бозе-Эйнштейна. Кроме того, она описывает явления, происходящие при комнатной температуре, что более удобно для технологий, чем сверхнизкие температуры, необходимые для КБЭ гелия-4 или охлажденных лазером атомов. Уже в ближайшем будущем фотонный КБЭ может быть использован для создания лазеров нового поколения.
Препринт статьи доступен на сайте arXiv.
По материалам пресс-релиза школы.
Артём Космарский nauka21vek.ru