Свет подчиняется эффекту толпы: как число фотонов меняет их поведение от хаоса к синхронности

Смоделируем систему с двумя почти одинаковыми состояниями. Одно требует чуть больше энергии, другое — чуть меньше. Разница между ними совсем несущественна, и ее с легкостью может покрыть тепловая энергия окружающей среды. По законам классической физики, частицы в такой системе должны распределяться почти поровну, постоянно перескакивая между уровнями под действием теплового шума. В общем, хаос должен был бы победить.

Только вот физики создали именно такую систему, и вместо хаоса получили почти идеальный порядок.

В недавнем исследовании ученые из Боннского университета продемонстрировали, как заставить фотоны массово занимать самое низкое энергетическое состояние. И сделали они это не вопреки теплу, а с его помощью. Давайте разберемся, как коллективное поведение частиц может превзойти грубую силу тепловой энергии.

Как построить квантовую ловушку с двумя комнатами?

Чтобы изучить поведение света на фундаментальном уровне, нужна очень специфическая среда. Исследователи создали ее с помощью оптического микрорезонатора. Это конструкция из двух зеркал, расположенных на расстоянии всего нескольких микрометров друг от друга. Пространство между ними заполнено раствором органического красителя.

На поверхности одного из зеркал сделаны две крошечные выемки глубиной всего в пару нанометров. Эти ямы и создают ловушку для фотонов. Для света, запертого в резонаторе, эти углубления работают как зоны с более низкой энергией.

В результате получается система, у которой есть всего два основных энергетических состояния:

1. Основное состояние: фотон равномерно распределен по обеим ямам.
2. Возбужденное состояние: фотон также находится в обеих ямах, но с другой фазой.

Энергетическая разница между этими двумя состояниями ничтожна. Если перевести ее в температуру, она составит около 2.4 Кельвина. При этом весь эксперимент проходит при комнатной температуре, где тепловая энергия соответствует 300 Кельвинам. Она в сто с лишним раз больше, чем разница между уровнями.

Что происходит, когда в систему добавляют свет?

Ученые накачивали свою систему фотонами с помощью лазера и смотрели, как они себя поведут. И поведение это кардинально менялось в зависимости от режима накачки.

Сначала они использовали короткие и мощные лазерные импульсы. Фотоны, попав в одну из ям, не оставались там надолго. Они начинали согласованно перетекать из одной ямы в другую и обратно. Это явление — осцилляции Джозефсона — прямое доказательство того, что система ведет себя как единый квантовый объект. Фотоны тут не просто случайные частицы, а когерентная волна.

Затем режим сменили. Вместо коротких импульсов систему стали освещать непрерывным, но менее мощным лазерным лучом. В этом случае фотоны успевали многократно поглощаться и переизлучаться молекулами красителя, что заставляет их прийти в тепловое равновесие со средой. По сути, краситель здесь работает как термостат, который нагревает «газ» из фотонов до комнатной температуры.

И вот здесь началось самое интересное.

Квантовая статистика против теплового хаоса

Что мы ожидаем увидеть, когда система приходит в равновесие?

Если в ловушке мало фотонов, происходит ровно то, что предсказывает классическая статистика. Тепловая энергия огромна по сравнению с энергетическим зазором. Она легко «подбрасывает» фотоны на верхний уровень. В результате оба состояния — основное и возбужденное — заселяются практически одинаково.

Но ситуация резко меняется, когда число фотонов в системе растет.

Фотоны — это бозоны. Это означает, что они подчиняются особой, квантовой статистике Бозе-Эйнштейна. Одно из ее следствий — эффект бозонного стимулирования. Суть проста: чем больше бозонов уже находится в определенном состоянии, тем выше вероятность того, что следующий бозон присоединится именно к ним. Частицы предпочитают быть вместе.

Так вот, в системе большое количество фотонов, и эффект начинает работать как сила, противостоящая тепловому хаосу.

При увеличении числа фотонов в резонаторе нижний энергетический уровень начинает заполняться непропорционально быстро. В какой-то момент населенность верхнего уровня просто насыщается — перестает расти — и все новые фотоны устремляются в основное состояние. В итоге, при высокой плотности фотонов более 90% из них оказываются на самом нижнем энергетическом уровне.

И так, еще раз. В системе, где тепловая энергия в 100 раз превышает барьер между состояниями, квантовые законы создают почти идеально упорядоченную структуру, рождая порядок не из холода, а из коллективного поведения.

Зачем это нужно на практике?

Этот результат дает способ решения важной задачи в квантовых технологиях. Речь идет о приготовлении состояний.

Для работы любого квантового компьютера, сенсора или симулятора необходимо сначала привести его в известное начальное состояние. Чаще всего — в основное, самое низкое по энергии. Обычно для этого требуются сложные системы охлаждения до сверхнизких температур.

Эксперимент же предлагает другой путь. Можно использовать законы квантовой статистики, чтобы пассивно загнать систему в нужное состояние, даже если она находится в теплой среде. Проще говоря — вместо того чтобы бороться с теплом, можно заставить его работать на себя в паре с фундаментальными свойствами частиц.

Источник: arxiv.org