在光和物质的凝聚物中检测到幽灵般的粒子

时间:2020-01-26 20:50 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

在光和物质的凝聚物中检测到幽灵般的粒子

玻色子凝聚的量子流体不是永远存在的。这种状态包括超流体和玻色-爱因斯坦凝聚(BECs)。

在这种奇异的状态下,存在着一种美丽的纯净,在这种状态下,每个粒子都处于相同的量子状态,使得量子效应可以在一个简单的显微镜下的宏观层面上被观察到。

然而,在现实中,即使在绝对零度,也不是所有的粒子都保持在凝析状态。相反,相互作用引起的量子涨落使粒子碰撞,不可避免地将一些粒子从凝聚物中驱逐出去,这一现象被称为“量子损耗”。

这种效应在超流体氦-4中非常强烈,氦-4是已知的第一个超流体,90%的粒子会从冷凝物中被排出。然而,在我们所知的典型玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)形成的极稀、超冷的原子气体中,这种效应要弱得多,几乎可以忽略不计。

尽管量子损耗在理论上已经被很好地描述了(由尼古拉·波哥利乌波夫提出的70年的理论),但从历史上看,在原子BEC中测量它是困难的,原因有很多。

澳大利亚国立大学(ANU)的物理学家使用激子-极化激子来代替原子粒子,这是一种兼有光和物质特性的混合粒子,它能在不失真的情况下探测到动量。

由埃琳娜·奥斯特洛夫斯卡娅教授领导的澳大利亚国立大学的研究小组成功地探测到了这种极其明亮的冷凝物发出的光,他们用剃刀般的刀口挡住了光。“这就像重现了一次日食,”该研究的首席作者Maciej Pieczarka博士说。“月球挡住了明亮的太阳(冷凝物),并暴露了它辉煌的日冕(激发物)。”

该研究首次直接观察到非平衡玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)中的量子损耗。

“像光一样的冷凝物的行为与我们的预期不同。事实上,这种行为是无法解释的

一项令人惊讶的研究结果为非平衡量子流体物理学提出了新的挑战。激子-极化激元凝聚体可以从更类物质(激子)调谐到更类光(光子),从而可以与平衡原子(物质)凝聚理论和非平衡光量子流体理论进行比较。

在光和物质的凝聚物中检测到幽灵般的粒子

研究人员发现,当冷凝物“类似物质”时,它们的行为与热平衡中的BEC完全一致(长期存在的Bogoliubov理论对此进行了描述)。

然而,“类光”的冷凝物偏离了预期的Bogoliubov行为,以一种现有理论无法描述的方式

简而言之,即使这些凝聚态是驱动耗散的,它们也可以表现得像处于平衡状态的原子凝聚态(当它们是类物质时)或非平衡状态的量子流体(当它们是类光时)。

负激励观察

该研究解决了激子极化子凝聚的一个长期存在的问题:激发分支的可见性问题。

量子损耗导致在激发态光谱中鬼分支的可见性。在此之前,只有在自发产生的稳态BEC中观测到正或正激发态,而Bogoliubov预测的负激发态或鬼激发态没有被观测到。

现在,澳大利亚国立大学的研究小组利用稳定状态下以相互作用为主的高密度凝聚态来增强来自幽灵粒子的微弱信号。这项研究首次清楚地证明了在自发产生的稳态激子-极化激子凝聚态中基本激发态的鬼分支的实验观察结果。

与普通粒子不同的是,幽灵粒子只能由量子涨落产生,而在本研究中发现的幽灵粒子是激子-极化激元凝聚物量子损耗的确凿证据。

“具有讽刺意味的是,尽管这些被排出的粒子严格来说不是凝析油的一部分,但它们实际上告诉了你有关贫化凝析油的几乎所有事情,”论文合著者埃利泽·埃斯特雷乔博士说。

澳大利亚国立大学领导的研究小组利用对鬼分支的观察,精确地测量了激子-极化激子相互作用的强度,这是一个关键的参数,根据其他小组的测量结果,它具有很大的不确定性。结果与ANU团队之前的工作完全一致(见下文),在那里高密度、交互主导的凝析油意外地与井眼燃烧效应相结合。与理论的完美一致最终解决了争论。

在光和物质的凝聚物中检测到幽灵般的粒子

超流体和量子凝聚

氦-4等超流体与相互作用的玻色子的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)密切相关。

“量子损耗”描述了这样一个过程:即使在绝对零度,一些占据宏观量子态的粒子也会通过粒子间的相互作用和量子涨落被激发成更高的动量态。

从本质上说,这些粒子被从冷凝物中驱逐出来。

量子损耗在非平衡系统中尤其难以测量,比如激子-极化激元凝聚(光子耦合到半导体中的电子-空穴对),因为还有其他过程可以产生同样的驱逐效应

在这项新的研究中,通过直接探测占据基本激发态负分支的幽灵粒子的过程的特征来观察光阱中高密度激子极化凝聚的量子损耗。

“这些结果要求我们更深入地理解平衡与非平衡BECs之间的关系,”埃琳娜?奥斯特洛夫斯基亚教授表示。

这个团队,包括了弗利特莫纳什大学节点的理论合作者,现在正在扩展他们的工作,以阐明更深层的特性,如相和普遍关系,这种凝聚态的轻物质混合物。

“非平衡激子-极化激子凝聚中量子损耗的观察”发表在1月份的《自然通讯》杂志上。

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