Science：可压缩光量子气体

波恩大学的研究人员研发出一种能被极限压缩的光粒子气体，这一结果与量子物理核心理论的预测相印证，同时也为研制新型可测量微小力的传感器指明了方向。此项研究发表在Science上。

即使用手指堵住气泵的出口，人们仍然能够推动活塞。原因是不同于液体，气体很容易被压缩。但是如果泵中装的是水，那么即使用上最大的力气，也很难推送活塞。

气体通常由在空间中快速旋转的原子或者分子组成。它与光非常相似：光的最小组成部分是光子，而光子在某些方面表现出粒子的特性；而且这些光子也能被视为一种气体——一种有些不同寻常的气体：至少在从理论上来说，这种气体能在特定条件下轻易被压缩。

镜盒中的光子

如今，波恩大学应用物理研究所的研究人员们已在实验中首次证明了这种猜想。“为实现这一点，我们将光粒子储存在一个用反光镜组成的盒子中。” 应用物理研究所的Julian Schmitt博士解释说，他是Martin Weitz教授小组的首席研究员。“所放进去的光子越多，光子气体的密度就越大。”

图1 光学微谐振腔制作的“光子盒”

对于气体来说，通常气体密度越大越难被压缩。比如在用手堵住出气孔、推动活塞的情况下，一开始可以很轻易地推动活塞，到了一定程度之后，即使施加很大的力，也很难再推动活塞。波恩大学的实验也显示出了相似的结果：所放入镜盒的光子越多，压缩这种气体就越困难。

然而在过了某一临界点之后，光子的行为会突然发生改变：一旦超过特定的密度，光子气体的压缩突然几乎没了阻力。“这种效应可以用量子力学的原理来解释，” Schmitt说，他也是ML4Q精英集群的准会员，也是Transregio合作研究中心的项目负责人。原因是：光粒子表现出一种“模糊性”——简单来说，粒子的位置并不确定；当光子气体密度很高之后，光子的位置非常接近、并开始重叠。物理学家提到了气体的“量子简并性”。正是由于这个原因，压缩高密度、存在量子简并的气体变得容易得多。

自组织光子

如果重叠足够强，光子会融合形成一种超级光子，即玻色-爱因斯坦凝聚态。这一过程可以简单地用水变成冰来比拟：水分子在液体状态下是无序的；当温度降低到冰点时，开始有冰晶形成，最终合并成延伸的、高度有序的冰层。光子“有序冰晶”也恰好在玻色-爱因斯坦凝聚态形成之前形成，并随着光子数目进一步增加开始逐渐扩大。

当有序光子“冰晶“最终扩大到捕获光子的整个镜盒时，凝聚态才会形成。这一过程正如湖泊中独立的浮冰结合在一起、最终形成了一整块冰面一样。很显然，这一过程需要在一个较大的盒子中放入数量足够多的光子。“我们在实验中成功证明了这一关系。” Schmitt指出。

为了制造出一种粒子数可变、温度确定的气体，研究人员使用了“热浴”法。Schmitt解释道：“我们将分子放入能捕捉光子的镜盒中，让这些分子释放光子；这些分子所释放出新光子的平均温度与分子温度相同——在我们的研究中这一温度略低于300开尔文，大约是室温温度。”

研究人员还必须克服另一个障碍：光子气体的密度通常不是均匀的，某些地方的粒子数要远高于其他地方，具体取决于将光子围困在内的容器形状。该论文的第一作者Erik Busley说，“我们在实验中采用了一种不同的方法，用一种微结构方法制造了一个平底镜盒来捕捉光子，从而首次成功制造出了均匀的光量子气体。”

下一步，量子增强气体的可压缩性将为能够测量微小力的新型传感器的研发提供帮助。此项研究结果不仅具有技术前景，而且具有重要的基础研究价值。

文章见：Erik Busley et al, Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abm2543. www.science.org/doi/10.1126/science.abm2543。