Een systeem gemaakt van slechts een handvol deeltjes werkt net als grotere systemen, waardoor wetenschappers kwantumgedrag gemakkelijker kunnen bestuderen.

De meeste stoffen die natuurkundigen bestuderen, bestaan ​​uit enorme aantallen deeltjes - zo groot dat er in wezen geen verschil is tussen de gedragseigenschappen van een druppel of de waarde van zuiver water van een zwembad. Zelfs een enkele druppel kan meer dan een quadriljoen deeltjes bevatten.

Dit maakt het relatief eenvoudig om hun collectieve gedrag te begrijpen. Bijvoorbeeld, zowel het water in de druppel als in het zwembad bevriest bij 0C en kookt bij 100C.

Dergelijke 'faseovergangen' (d.w.z. van vloeistof naar vaste stof of van vloeistof naar gas) kunnen abrupt lijken in deze grote systemen, omdat er zoveel deeltjes bij betrokken zijn dat ze allemaal tegelijk lijken te werken. Maar hoe zit het in veel kleinere systemen? Als er maar een handvol deeltjes zijn, gelden dezelfde regels voor faseovergangen?

Om deze vragen te beantwoorden, een team van wetenschappers van Imperial College London, de Universiteit van Oxford en Karlsruhe Institute of Technology, Duitsland, een systeem gemaakt van minder dan 10 fotonen, de fundamentele lichtdeeltjes. De resultaten van hun experimenten, vandaag gepubliceerd in Natuurfysica , laten zien dat faseovergangen nog steeds voorkomen in systemen die gemiddeld uit slechts zeven deeltjes bestaan.

Het bestuderen van kwantumgedrag van deeltjes is veel gemakkelijker met minder deeltjes, dus het feit dat faseovergangen optreden in deze kleine systemen betekent dat wetenschappers beter in staat zijn om kwantumeigenschappen zoals coherentie te bestuderen.

Hoofdauteur Dr. Robert Nyman, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"Nu is bevestigd dat 'faseovergang' nog steeds een nuttig concept is in dergelijke kleine systemen, we kunnen eigenschappen onderzoeken op manieren die in grotere systemen niet mogelijk zouden zijn.

"Vooral, we kunnen de kwantumeigenschappen van materie en licht bestuderen - wat er op de kleinste schaal gebeurt wanneer faseovergangen optreden."

Het systeem dat het team bestudeerde was een Bose-Einstein-condensaat (BEC) van fotonen. BEC's ontstaan ​​wanneer een gas van kwantumdeeltjes zo koud of zo dicht bij elkaar is dat ze niet meer te onderscheiden zijn. Een BEC is een toestand van materie die heel andere eigenschappen heeft dan vaste stoffen, vloeistoffen, gassen of plasma's.

Het team ontdekte dat door fotonen aan het systeem toe te voegen, een faseovergang naar een BEC zou plaatsvinden zodra het systeem ongeveer zeven fotonen had bereikt, minder dan in enige andere BEC die we eerder hebben gezien. Zo klein zijn, de overgang was minder abrupt dan in grotere systemen zoals plassen water, maar het feit dat de overgang plaatsvond op een voorspelbaar punt weerspiegelt grotere systemen goed.

Het systeem is gemaakt met een eenvoudig apparaat - wat fluorescerende kleurstof en gebogen spiegels. Dit betekent dat het niet alleen nuttig is voor de studie van kwantumeigenschappen, het systeem zou kunnen worden gebruikt om speciale lichttoestanden te creëren en te manipuleren.

Co-auteur Dr. Florian Mintert, van de afdeling natuurkunde van Imperial, zei:"Met het beste van twee verschillende werelden - de fysica van faseovergangen en de toegankelijkheid van kleine systemen - heeft deze ongebruikelijke lichtbron potentiële toepassingen in meting of detectie."