ในการทดลอง นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยบอนน์และมหาวิทยาลัยไกเซอร์สเลาเทิร์น-ลันเดาได้สังเกตครอสโอเวอร์มิติจากหนึ่งถึงสองมิติในก๊าซโฟตอน (อนุภาคแสง) ที่กักเก็บอย่างกลมกลืน และศึกษาคุณสมบัติของมัน โฟตอนถูกขังอยู่ใน microcavity ของสีย้อม โดยที่โครงสร้างนาโนของโพลีเมอร์ทำให้เกิดศักยภาพในการดักจับก๊าซโฟตอน ด้วยการเปลี่ยนอัตราส่วนภาพของกับดัก นักวิจัยจึงปรับจากการกักขังสองมิติแบบไอโซทรอปิกไปเป็นศักยภาพในการดักจับแบบหนึ่งมิติที่ยืดเยื้อสูง ของทีมกระดาษปรากฏในวารสารฟิสิกส์ธรรมชาติ-
โพลีเมอร์ที่ใช้กับพื้นผิวสะท้อนแสงจะกักก๊าซโฟตอนไว้ในพาราโบลาของแสง ยิ่งพาราโบลานี้แคบ ก๊าซจะมีพฤติกรรมในมิติเดียวมากขึ้นเท่านั้น เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยบอนน์
“ในการสร้างก๊าซจากโฟตอน เราจำเป็นต้องรวมโฟตอนจำนวนมากไว้ในพื้นที่จำกัดและทำให้พวกมันเย็นลงพร้อมกัน” ดร. Frank Vewinger จากมหาวิทยาลัยบอนน์กล่าว
ในการทดลอง ดร. เววิงเงอร์และเพื่อนร่วมงานของเขาเติมสารละลายสีย้อมลงในภาชนะเล็กๆ และตื่นเต้นโดยใช้เลเซอร์
โฟตอนที่เกิดขึ้นจะเด้งไปมาระหว่างผนังสะท้อนแสงของคอนเทนเนอร์
เมื่อใดก็ตามที่พวกมันชนกับโมเลกุลของสีย้อม พวกมันจะถูกทำให้เย็นลงจนกระทั่งก๊าซโฟตอนควบแน่นในที่สุด
มิติของก๊าซสามารถได้รับอิทธิพลจากการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของพื้นผิวสะท้อนแสง
“เราสามารถใช้โพลีเมอร์โปร่งใสกับพื้นผิวสะท้อนแสงเพื่อสร้างส่วนที่ยื่นออกมาขนาดเล็กมากด้วยกล้องจุลทรรศน์” ดร. Julian Schulz นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Kaiserslautern-Landau กล่าว
“ส่วนที่ยื่นออกมาเหล่านี้ทำให้เราสามารถกักโฟตอนไว้ในมิติเดียวหรือสองมิติและควบแน่นพวกมันได้”
“โพลีเมอร์เหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนรางน้ำชนิดหนึ่ง แต่ในกรณีนี้คือแสง” ดร. Kirankumar Karkihalli Umesh นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยบอนน์กล่าว
“ยิ่งรางน้ำนี้แคบเท่าไหร่ แก๊สก็จะยิ่งมีพฤติกรรมในมิติเดียวมากขึ้นเท่านั้น”
ในสองมิติ มีการจำกัดอุณหภูมิที่แม่นยำซึ่งเกิดการควบแน่น คล้ายกับการที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส นักฟิสิกส์เรียกสิ่งนี้ว่าการเปลี่ยนเฟส
“อย่างไรก็ตาม สิ่งต่างๆ จะแตกต่างออกไปเล็กน้อยเมื่อเราสร้างก๊าซหนึ่งมิติแทนที่จะเป็นสองมิติ” ดร. เววิงเกอร์กล่าว
“สิ่งที่เรียกว่าความผันผวนของความร้อนเกิดขึ้นในก๊าซโฟตอน แต่มีขนาดเล็กมากในสองมิติจนไม่มีผลกระทบที่แท้จริง”
“อย่างไรก็ตาม ในมิติหนึ่งความผันผวนเหล่านี้สามารถทำให้เกิดคลื่นลูกใหญ่ได้”
ความผันผวนเหล่านี้ทำลายลำดับของระบบหนึ่งมิติ ดังนั้นบริเวณต่างๆ ภายในก๊าซจึงไม่ทำงานเหมือนกันอีกต่อไป
เป็นผลให้การเปลี่ยนเฟสซึ่งยังคงกำหนดไว้อย่างแม่นยำในสองมิติ จะถูกละเลงมากขึ้นเมื่อระบบกลายเป็นมิติเดียวมากขึ้น
อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติของมันยังอยู่ภายใต้ฟิสิกส์ควอนตัม เช่นเดียวกับในกรณีของก๊าซสองมิติ และก๊าซประเภทนี้เรียกว่าก๊าซควอนตัมเสื่อม
เหมือนกับว่าน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำโดยไม่ต้องแข็งตัวเลยเมื่อเย็นตัวลง
“ตอนนี้เราสามารถตรวจสอบพฤติกรรมนี้ในช่วงการเปลี่ยนผ่านจากก๊าซโฟตอนสองมิติไปเป็นหนึ่งมิติได้เป็นครั้งแรก” ดร. Vewinger กล่าว
ผู้เขียนสามารถแสดงให้เห็นว่าก๊าซโฟตอนหนึ่งมิติไม่มีจุดควบแน่นที่แม่นยำ
ด้วยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพอลิเมอร์เพียงเล็กน้อย ขณะนี้จะสามารถตรวจสอบปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อเปลี่ยนผ่านระหว่างมิติต่างๆ ได้อย่างละเอียด
นี่ยังถือเป็นการวิจัยขั้นพื้นฐานในขณะนี้ แต่ก็เป็นไปได้ว่าจะสามารถเปิดพื้นที่ใหม่ๆ ในการประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์แสงควอนตัมได้
-
เค. คาร์กีฮัลลี อูเมชและคณะ- ครอสโอเวอร์มิติในก๊าซควอนตัมแห่งแสงแนท. ฟิสิกส์เผยแพร่ออนไลน์เมื่อวันที่ 6 กันยายน 2024; ดอย: 10.1038/s41567-024-02641-7
