Neuer Zustand Des Lichts Mit Photon-Trapping-Methode Aufgedeckt

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Ein theoretischer physiker an der eidgenössischen technischen hochschule (epfl) hat ein mathematisches modell zum einfangen von licht entwickelt - auch bei raumtemperatur.

Ein theoretischer Physiker hat einen Weg erläutert, Lichtteilchen, sogenannte Photonen, einzufangen, selbst bei Raumtemperatur, eine Leistung, die nur bei knöchernen Kälte möglich ist.

Alex Kruchkov, Doktorand an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL), hat das erste quantitative mathematische Modell für das Einfangen und Kondensieren von Licht unter realistischen Bedingungen entwickelt.

Licht besteht aus winzigen Quantenpartikeln, die als Photonen bezeichnet werden. Eine der spektakulärsten Eigenschaften von Quantenpartikeln besteht darin, dass sie ihre individuelle Identität kondensieren oder verlieren können und sich wie Klone von einander verhalten und zu einer einzigen gigantischen Welle werden, die als Bose-Einsteinkondensat (BEC) bezeichnet wird. [Verrückte Physik: Die coolsten kleinen Teilchen der Natur]

Normalerweise geschieht dies bei extrem niedrigen Temperaturen - weniger als einem Mikrokelvin oder einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. "Eines der aufregendsten Dinge an der BEC des Lichts ist jedoch, dass es bei Raumtemperatur geschieht", sagte Henrik Ronnow von der EPFL, der nicht an der Studie teilnahm.

Wenn Wissenschaftler diese Welle mit Hilfe von Photonen erzeugen könnten, könnte dies bedeutende Anwendungen in der Laser- und Solarpanel-Technologie haben.

Obwohl Albert Einstein 1924 die BEC für massive Teilchen vorhergesagt hatte, hielten Wissenschaftler es lange Zeit für unmöglich, eine BEC aus Licht herzustellen, da die Photonen keine Masse haben, was für ein Bose-Einstein-Kondensat eine wesentliche Voraussetzung ist.

'Licht am Ende des Tunnels'

Im Jahr 2010 haben vier Physiker der Universität Bonn diese Annahme auf den Kopf gestellt. Die Wissenschaftler - Jan Klaers, Julian Schmitt, Frank Vewinger und Martin Weitz - kondensierten erfolgreich Photonen in einem Mikrohohlraum aus zwei nahe beieinander liegenden Spiegelflächen. Ein in einem solchen Hohlraum eingeschlossenes Photon verhält sich so, als hätte es Masse; Mit anderen Worten, der Hohlraum erzeugt ein "Einfangpotential", das die Photonen daran hindert, zu entkommen.

Um einen wissenschaftlichen Befund zu überprüfen, muss es jedoch für andere möglich sein, das Experiment zu reproduzieren. Vier Jahre nach dem Erfolg von 2010 konnte dies jedoch noch nicht für die Ergebnisse der Mikrokavität erreicht werden, sagte Kruchkov.

"Das Verständnis der Kondensation von Photonen war wie das Licht am Ende des Tunnels. Die Experimentalisten warteten auf ein einfaches, aber effektives Modell, das" ein Rezept "enthält, um Lichtkondensate zu" kochen ", sagte er.

So entwickelte Kruchkov ein Rezept. Unter Verwendung von Mathematik und basierend auf früheren Modellen entwickelte der Physiker ein theoretisches Modell zur Verdichtung von Licht im dreidimensionalen Raum und unter realistischen Bedingungen.

"Außerdem habe ich gezeigt, dass sich die Energie des Lichts im kondensierten Zustand von Photonen ansammeln kann", sagte er.

Der Forscher erklärt, sein Modell der Photonenkondensation erklärt experimentelle Messungen sehr gut - was zeigt, dass Photonen tatsächlich in einem Bose-Einstein-Kondensatzustand und bei Raumtemperatur und -druck eingefangen werden können.

"Nun ist es tatsächlich möglich, das Verhalten des Systems für andere Versuchsbedingungen vorherzusagen. Es erklärt auch die Temperaturreaktion des Versuchsaufbaus", sagte er. "Ich zeige alle Stufen des Prozesses, die man wissen muss, um diese Experimente zu reproduzieren.

"Wenn Sie also wissen, wie Sie mit einem Laser umgehen, ohne sich selbst zu verletzen, können Sie die Experimente sogar in Ihrem Hinterhof durchführen", fügte er hinzu.

Der Physiker SergiyKatrych, ebenfalls an der EPFL, aber nicht an der Studie beteiligt, sagte, die Forschung sei vor allem deshalb wichtig, weil ein Bose-Einstein-Kondensat aus Photonen einen völlig neuen Lichtzustand darstellen würde. "In gewissem Sinne ist das BEC des Lichts eine Brücke zwischen Licht und Materie - die Brücke, die vorher unbekannt war."

In der Zeitschrift Physical Review A erscheint eine Arbeit, die Kruchkovs Forschung detailliert beschreibt.

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