Seulement sept photons peuvent agir comme des milliards

Anonim

Un système composé d'une poignée de particules agit comme des systèmes plus grands, ce qui permet aux scientifiques d'étudier plus facilement le comportement quantique.

La plupart des physiciens étudient des substances composées d'un grand nombre de particules, si importantes qu'il n'y a pratiquement aucune différence entre les propriétés comportementales d'une goutte d'eau pure et celles d'une piscine. Même une seule goutte peut contenir plus d'un quadrillion de particules.

Cela facilite la compréhension de leur comportement collectif. Par exemple, l'eau dans la goutte et dans la piscine gèlera à 0 ° C et bouillira à 100 ° C.

De telles «transitions de phase» (du liquide au solide ou du liquide au gaz) peuvent apparaître brusquement dans ces grands systèmes, car de nombreuses particules sont impliquées et semblent toutes agir en même temps. Mais qu'en est-il dans des systèmes beaucoup plus petits? Lorsqu'il n'y a qu'une poignée de particules, les mêmes règles de transitions de phase s'appliquent-elles?

Pour répondre à ces questions, une équipe de scientifiques de l’Imperial College London, de l’Université d’Oxford et de l’Institut de technologie de Karlsruhe, en Allemagne, a fabriqué un système de moins de 10 photons, les particules fondamentales de la lumière. Les résultats de leurs expériences, publiés aujourd'hui dans Nature Physics, montrent que des transitions de phase se produisent encore dans des systèmes composés de seulement sept particules en moyenne.

L'étude du comportement quantique des particules est beaucoup plus facile avec moins de particules, de sorte que le fait que les transitions de phase se produisent dans ces petits systèmes permet aux scientifiques d'étudier plus facilement les propriétés quantiques telles que la cohérence.

L'auteur principal, le Dr Robert Nyman, du Département de physique de l'Impériale, a déclaré: "Maintenant qu'il est confirmé que la" transition de phase "est encore un concept utile dans ces petits systèmes, nous pouvons explorer les propriétés d'une manière impossible systèmes

"En particulier, nous pouvons étudier les propriétés quantiques de la matière et de la lumière - ce qui se produit à la plus petite échelle lorsque des transitions de phase se produisent."

Le système que l'équipe a étudié était un condensat de Bose-Einstein (BEC) de photons. Les BEC se forment lorsqu'un gaz de particules quantiques est si froid ou si rapproché qu'elles ne peuvent plus être distinguées. Un BEC est un état de la matière qui présente des propriétés très différentes de celles des solides, des liquides, des gaz ou des plasmas.

L'équipe a constaté qu'en ajoutant des photons au système, une transition de phase vers un BEC se produirait une fois que le système atteindrait environ sept photons, soit moins que dans tout autre BEC vu auparavant. Si petite, la transition était moins abrupte que dans les grands systèmes comme les bassins d'eau, mais le fait que la transition ait eu lieu à un point prévisible reflète bien les systèmes plus grands.

Le système a été créé avec un appareil simple: certains colorants fluorescents et certains miroirs courbes. Cela signifie que, en plus d'être utile dans l'étude des propriétés quantiques, le système pourrait être utilisé pour créer et manipuler des états spéciaux de la lumière.

Le co-auteur, le Dr Florian Mintert, du Département de physique de l'Impériale, a déclaré: «Avec la meilleure des deux mondes distincts - la physique des transitions de phase et l'accessibilité des petits systèmes - cette source de lumière inhabituelle a des applications potentielles en mesure ou en détection.. "

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