光粒子揭示二维光子气体中的临界尺度

来自波恩大学、海德堡大学和墨西哥国立自治大学的研究团队研究了光粒子（光子）在相变附近的临界行为。这种临界标度行为表现为热力学量在玻色-爱因斯坦凝聚发生前不久急剧增大甚至发散，此前从未在光子气体中被观测到，直到该团队成功获得了这一确切证据。在这项发表于《科学进展》期刊的研究中，团队测量了在凝聚瞬间被束缚于镜盒中的几乎无相互作用二维光子气体的空间关联，确定了临界指数——这一物理量描述相变附近温度变化时关联长度的急剧增长。

光子气体如何被禁锢

他们将光粒子囚禁在一个充满染料溶液的光学微腔中。当光粒子与染料分子接触时，通过吸收和发射过程，光子被有效冷却（“热化”），直到量子凝聚相开始。谐振腔的一面镜子事先还通过激光直写技术在纳米尺度上进行了结构加工，以形成一个盒状势。随后用相机测量了所发出光的角分布，并通过傅里叶变换分析来确定空间关联。

更广泛的一类临界行为

这是首次有实验证明，光子气体在自然界中构成一类独特且具有统摄性的物理系统普适类。正如水在临界点会因乳光现象突然变得浑浊一样，此处的光子气体也表现出急剧增大并发散的关联长度。

因此，这一研究发现填补了相变物理学中的一个关键空白，并有望为基础研究中远非热平衡的系统以及未来光学应用开辟令人振奋的新途径。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aee2942