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Science | 極度可壓縮的“光量子氣體”
撰稿 | 范嘉豪（香港城市大學，博士生）
眾所周知，氣體是可壓縮的。當我們擠壓氣泵時很容易推動活塞，但如果裝滿水則基本上無法推動活塞，這則是因為氣體的壓縮性比液體大很多。在熱力學和流體力學范疇中，壓縮性（Compressibility）是一個衡量因壓強改變而造成的相對體積變化的度量。氣體通常由隨機運動的原子或分子等粒子組成，粒子之間距離大，密度變化范圍廣，導致氣體壓縮性很大。
光在這些方面類似于氣體，因為微觀上光由光子構成，根據波粒二象性這些光子在某些行為上可視為粒子，科研人員可以將處理氣體粒子的方法應用于光子，“光子氣體”也因此得名。
德國波恩大學的研究人員近日在實驗室中創造出了在特定條件下極度可壓縮的光量子氣體，并構建了相應的量子狀態方程，其研究結果進一步驗證了量子力學中的玻色-愛因斯坦凝聚態現象，同時也為物理學中非平衡現象，相變理論，聲波傳導以及高靈敏度傳感器等領域提供了新方法。
該成果以“Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box”為題在線發表在 Science。
聚合光量子氣體
研究人員首先將光子儲存在一個由鏡子組成的盒子里，盒子的空間結構實際上是一個填充染料分子的二維納米光學微腔。為了盒內的光子數量保持穩定，需要持續給盒內染料分子提供泵浦源以補償鏡面傳輸造成的光子損失。同時這些光子組成的光量子氣體便會染料分子發生作用并加熱到分子的振動溫度，即室溫（T=300K）。泵浦源可以決定光量子氣體的密度，而染料分子的激發則可以改變其化學勢。隨著光子數的不斷增加，光量子氣體的密度也隨之增大。
圖1：“光子盒”藝術效果圖（圖源：Light新媒體/VEER）
壓縮光量子氣體
但研究人員發現了與經典氣體不同的現象。他們通過控制壓電裝置來調整盒內平面鏡的傾斜度，進而實現光量子氣體勢能的線性變化，從而使光量子氣體能被均勻壓縮，然而當光子密度增大到某一臨界點時，光子會變得極度可壓縮，壓縮性會出現突然增大的現象。
圖2：水結冰過程（圖源：Veer / Light新媒體）
光子自組織
光子在壓縮過程中會呈現出一種位置 "模糊性"，即每個光子是無法被區分開的，當光子密度非常大時，光子彼此非常接近并開始重疊，出現量子兼并現象。如果光子間的重疊效應足夠強，光子則會融合形成一種超級光子態，即玻色-愛因斯坦凝聚態，幾乎全部的光子都聚集到能量最低的量子態中。
簡單來講，就如同水結冰過程，起初水分子都是無序狀態，隨著溫度下降，一些水分子靠近彼此形成有序的冰晶，即凝固過程，然后此冰晶會不斷擴展使所有水分子凝聚形成有序的冰層。當盒內所有光子都進入玻色-愛因斯坦凝聚態時，如同所有水分子都形成一個均勻有序的“冰層”，那么光量子氣體則可以獲得很高的壓縮性。
前景與應用
該研究結果不僅驗證了光子的玻色-愛因斯坦凝聚態理論，而且也為聲波傳導，非平衡現象，相變理論等領域提供了新的研究途徑。同時，實驗中所使用的壓電裝置控制盒內鏡子傾斜度的技術則有望在未來應用于微力探測傳感器上。
| 論文信息 |
Erik Busley et al, Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box, Science (2022).
www.science.org/doi/10.1126/science.abm2543
封面圖來源：VOLKER LANNERT / 德國波恩大學
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