Система, состоящая всего из нескольких частиц, ведет себя так, будто она гораздо крупнее. Это сильно упрощает задачу изучения квантового поведения.

Большинство веществ, которые изучают физики, состоят из огромного числа частиц — настолько, что при нем пропадают различия в поведенческих свойствах между каплей и бассейном чистой воды. Даже в одной капле может содержаться более квадриллиона частиц. Это делает понимание их коллективного поведения относительно простым. Например, вода в капле и в бассейне замерзнет при нулевой температуре и закипит при 100 градусах Цельсия.

Такие «фазовые переходы» могут выглядеть резкими в больших системах, так как в них вовлечено столько частиц, что кажется, будто они все действуют одновременно. Но что можно сказать о меньших системах, в которых всего несколько частиц? Применимы ли те же правила фазовых переходов к ним?

Чтобы ответить на этот вопрос, команда ученых из Имперского колледжа в Лондоне, Оксфордского университета и Технологического института Карлсруэ в Германии создала систему менее чем из десяти фотонов — фундаментальных частиц света. Результаты их эксперимента, опубликованные в журнале Nature Physics, показывают, что фазовые переходы происходят даже в системах, состоящих в среднем из семи частиц.

Чем меньше частиц, тем проще исследовать их квантовое поведение, так что факт возникновения фазовых переходов в этих малых системах означает, что у физиков появилась возможность изучить такие квантовые свойства, как, например, когеренция.

Микрорезонатор, заполненный красителем, позволяющий характеризовать порог конденсации / © Imperial College London

«Теперь, когда подтвердилось, что «фазовый переход» остается полезной концепцией в таких малых системах, мы можем исследовать свойства теми методами, которые невозможны в более крупных системах, — рассказывает ведущий автор исследования доктор Роберт Наймэн из Имперского колледжа в Лондоне. — В частности, мы можем изучать квантовые свойства материи и света — это происходит на самых малых масштабах, когда случается фазовый переход».

Команда изучала конденсат Бозе — Эйнштейна из фотонов. Бозе-конденсаты образуются, когда газ из квантовых частиц настолько охлажден или его частицы находятся так близко друг к другу, что их уже невозможно различить. Бозе-эйнштейновский конденсат — это состояние материи, чьи свойства отличаются от свойств твердых тел, жидкостей, газов или плазм.

Исследователи обнаружили, что при добавлении фотонов в систему фазовый переход в бозе-конденсате происходит, когда система достигает размера примерно семи фотонов — меньше, чем в любом другом таком конденсате, наблюдаемом ранее. При таких малых размерах переход менее резкий, чем в крупных системах, но факт того, что он произошел в предсказуемый момент, корректно отображает этот процесс в крупных системах.

Систему создали при помощи простого аппарата — флуоресцентного красителя и изогнутых зеркал. То есть, помимо того, что это полезно при изучении квантовых свойств, систему можно использовать и для создания особых состояний света и их манипуляции.