Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

С помощью вымораживания тепловых колебаний можно добиться основного состояния в сложных квантовых системах, чтобы наблюдать квантовые эффекты. В результате получается конденсат Бозе — Эйнштейна: агрегатное состояние вещества, в котором большинство бозонов (элементарных частиц с целым спином) находятся в одинаковом минимально возможном квантовом состоянии.

Атомы охлаждают до этого состояния с помощью оптических решёток. А для охлаждения фотонного газа и получения бозе-конденсата используют контакт с равновесным резервуаром. Этот способ перехода фотонов в основное состояние лучше классического метода чередования усиления и потерь излучения, так как последний ограничен с энергетической точки зрения. Исследователи продолжают искать новые методы охлаждения фотонного газа.

Физики из Боннского университета во главе с Андреасом Редманном предложили новый способ охлаждения фотонов. Для этого они использовали краситель и два зеркала. В результате эксперимента фотонный газ охладился до комнатной температуры.

В ходе эксперимента мы создали кольцевую решётку, внутри которой находится ловушка для фотонов. Решётка расположена в микрополости с красителем, — заявили ученые.

Исследователи заперли фотоны между двумя зеркалами, отражающими почти весь падающий свет. На одном из зеркал они сделали четыре выемки размером около 6,7 микрометра в ширину и 0,8 нанометра в глубину. Это помогло структурировать положение фотонов и не дать им покинуть ловушку.

Пространство между зеркалами заполнили раствором красителя Родамин 6G в этиленгликоле. Этот раствор часто используется в лазерной физике и флуоресцентной микроскопии. Для запуска фотонов в систему и компенсации тех, что пропускали зеркала, физики использовали лазерное излучение с длиной волны 532 нанометра.

Благодаря поглощению и переизлучению фотонов, они достигли температуры колебательно-вращательного движения молекул Родамина 6G — около 27 градусов Цельсия.

Физики записали спектры излучения фотонов и сравнили их с теоретически предсказанными. Экспериментальные данные в диапазоне от 579,7 до 584,1 нанометра совпали с аналогичными для бозе-конденсата при комнатной температуре.

Конденсацию фотонов также подтвердили с помощью визуализации излучения из полости между зеркалами на камеру: пространственное распределение фотонного газа совпало с ожидаемым.

Работа открывает новые перспективы в создании квантовых вычислителей.