一个由少量粒子组成的系统就像一个更大系统，让科学家们更容易地研究量子行为。物理学家研究的大多数物质都是由大量的粒子组成的，其大小在一滴或一个游泳池的纯水行为特性之间几乎没有区别。即使是一个水滴也能包含超过千万亿粒子。这使得理解它们的集体行为相对容易。例如，水滴和池子里的水都在0点冻结，煮沸100摄氏度。这种“相变”(即从液体到固体或从液体到气体)在这些大系统中可能会突然出现，因为涉及的粒子太多，它们似乎同时起作用。
博科园-科学科普：但是在小得多的系统中呢？当只有少量的粒子时，相变的规则也适用吗?为了回答这些问题，来自伦敦帝国理工学院、牛津大学和德国卡尔斯鲁厄理工学院的一组科学家制作了一个不到10个光子的系统，光子是光的基本粒子。实验结果发表在2018年9月《自然物理》上，结果表明相变仍然发生在平均只有7个粒子组成的系统中。在粒子较少的情况下，研究粒子的量子行为要容易得多，因此，在这些小系统中发生相变的事实意味着科学家们能够更好地研究量子特性，比如相干性。
核心设备的艺术图，图片：Imperial College London
来自帝国理工学院物理系的主要作者罗伯特·尼曼博士说：现在已经证实‘相变’在这样小的系统中仍然是一个有用的概念，可以用在大系统中不可能的方式来探索性质。特别地，我们可以研究物质和光的量子特性——当相变发生时，在最小尺度上发生了什么。研究小组研究的系统是玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)光子。
BECs的形成是由于量子粒子的气体温度非常低或者非常接近，以至于不能再分辨出来。BEC是一种物质状态，其性质与固体、液体、气体或等离子体非常不同。研究小组发现，通过向系统中加入光子，一旦系统达到7个光子左右，就会发生到BEC的相变，比以往任何BEC都要少。
由于如此之小，这种转变并不像在水池这样的大系统中那样突然，但这种转变发生在一个可预测的点上，这一事实很好地反映了较大的系统。这个系统是用一个简单的装置——一些荧光染料和曲面镜创建的。这意味着，该系统不仅在量子特性研究中有用，还可以用来创建和操纵特殊的光态。来自帝国理工学院物理系的合著者Florian Mintert博士说：在两个截然不同的世界中（相变物理学和小系统的可及性）这种不寻常的光源在测量或传感方面有潜在应用。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Nature Physics》｜研究/来自：伦敦帝国理工学院，DOI: 10.1038/s41567-018-0270-1
发表于 2020-3-17 02:37
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