Ongeveer 10 jaar geleden, onderzoekers van de Universiteit van Bonn produceerden een extreme geaggregeerde fotonstaat, een enkel "superfoton" bestaande uit vele duizenden individuele lichtdeeltjes, en presenteerde een geheel nieuwe lichtbron. De staat wordt een optisch Bose-Einstein-condensaat genoemd en heeft sindsdien veel natuurkundigen geboeid, omdat deze exotische wereld van lichtdeeltjes zijn eigen fysieke verschijnselen herbergt. Onderzoekers onder leiding van Prof. Dr. Martin Weitz, die het superfoton ontdekte, en theoretisch fysicus Prof. Dr. Johann Kroha rapporteren nu een nieuwe waarneming:een zogenaamde overdamped fase, een voorheen onbekende faseovergang binnen het optische Bose-Einstein-condensaat. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Het Bose-Einstein-condensaat is een extreme fysieke toestand die meestal alleen bij zeer lage temperaturen optreedt. De deeltjes in dit systeem zijn niet meer te onderscheiden en bevinden zich overwegend in dezelfde kwantummechanische toestand; met andere woorden, ze gedragen zich als een enkel gigantisch "superdeeltje". De toestand kan daarom worden beschreven door een enkele golffunctie.

In 2010, onderzoekers onder leiding van Martin Weitz zijn er voor het eerst in geslaagd om uit lichtdeeltjes (fotonen) een Bose-Einstein-condensaat te maken. Hun speciale systeem is nog steeds in gebruik:natuurkundigen vangen lichtdeeltjes op in een resonator gemaakt van twee gebogen spiegels die iets meer dan een micrometer uit elkaar staan ​​en die een snel heen en weer gaande lichtstraal reflecteren. De ruimte is gevuld met een vloeibare kleurstofoplossing, die dient om de fotonen af ​​te koelen. De kleurstofmoleculen "slikken" de fotonen in en spugen ze weer uit, die de lichte deeltjes op de temperatuur van de kleurstofoplossing brengt - equivalent aan kamertemperatuur. Het systeem maakt het mogelijk om lichte deeltjes af te koelen omdat hun natuurlijke eigenschap is om bij afkoeling op te lossen.

Duidelijke scheiding van twee fasen

Een faseovergang is wat natuurkundigen de overgang tussen water en ijs bij bevriezing noemen. Maar hoe vindt de specifieke faseovergang plaats binnen het systeem van opgesloten lichtdeeltjes? De wetenschappers leggen het als volgt uit:de enigszins doorschijnende spiegels zorgen ervoor dat fotonen verloren gaan en worden vervangen, het creëren van een niet-evenwicht dat ertoe leidt dat het systeem geen bepaalde temperatuur aanneemt en in oscillatie wordt gebracht. Hierdoor ontstaat een overgang tussen deze oscillerende fase en een gedempte fase. Gedempt betekent dat de amplitude van de trilling afneemt.

"De overgedempte fase die we waarnamen, komt overeen met een nieuwe toestand van het lichtveld, bij wijze van spreken, " zegt hoofdauteur Fahri Emre Öztürk, een doctoraatsstudent aan het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Bonn. Het bijzondere is dat het effect van de laser meestal niet wordt gescheiden van dat van Bose-Einstein condensaat door een faseovergang, en er is geen scherp gedefinieerde grens tussen de twee staten. Dit betekent dat natuurkundigen voortdurend heen en weer kunnen schakelen tussen effecten.

"Echter, in ons experiment, de overgedempte toestand van het optische Bose-Einstein-condensaat wordt gescheiden door een faseovergang van zowel de oscillerende toestand als een standaardlaser, ", zegt onderzoeksleider prof. dr. Martin Weitz. "Hieruit blijkt dat er een Bose-Einstein-condensaat is, wat echt een andere staat is dan de standaard laser. "Met andere woorden, we hebben te maken met twee afzonderlijke fasen van het optische Bose-Einstein-condensaat, " hij zegt.

De onderzoekers zijn van plan hun bevindingen te gebruiken als basis voor verdere studies om te zoeken naar nieuwe toestanden van het lichtveld in meerdere gekoppelde lichtcondensaten, wat ook in het systeem kan voorkomen. "Als geschikte kwantummechanisch verstrengelde toestanden optreden in gekoppelde lichtcondensaten, dit kan interessant zijn voor het verzenden van kwantumversleutelde berichten tussen meerdere deelnemers, ", zegt Fahri Emre Öztürk.