Vědci zavřeli světlo do krabičky. Překvapivě se začalo chovat jako hmota

Fotony nemají klidovou hmotnost a v běžném prostředí jednoduše letí rychlostí světla pryč. V optickém mikrorezonátoru je ale možné vytvořit natolik neobvyklé podmínky, že se fotony začnou statisticky chovat jako dvourozměrný plyn částic s efektivní hmotností.

Mezinárodní tým nyní poprvé experimentálně zachytil, jak se takový fotonový plyn chová těsně před Boseho–Einsteinovou kondenzací. Ukázal přitom přesně ten typ kritického škálování, který fyzika očekává u skutečných fázových přechodů.

Fotony nejdřív potřebovaly past

Základem experimentu byla dvojice velmi těsně umístěných zrcadel tvořících optický mikrorezonátor. Prostor mezi nimi byl vyplněn roztokem barviva. Fotony se uvnitř opakovaně odrážely, byly absorbovány molekulami barviva a znovu vyzařovány. Tím si vyměňovaly energii s okolím a postupně dosáhly stavu podobného tepelné rovnováze.

Geometrie rezonátoru současně omezila jejich pohyb natolik, že systém lze matematicky popisovat jako téměř neinteragující dvourozměrný Boseho plyn. Fotony samozřejmě nezískaly skutečnou klidovou hmotnost. Efektivní hmotnost vzniká z omezení jejich pohybu uvnitř speciální optické struktury.

_{MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT}

Fyzikové napodobili jeden z triků rotující černé díry. Jejich zařízení se přitom vůbec netočí

Boseho–Einsteinův kondenzát není obyčejná kapalina

Bosony – mezi které patří i fotony – mají zvláštní kvantovou vlastnost. Za vhodných podmínek může velké množství částic obsadit stejný kvantový stav. Pak už systém nelze dobře chápat jako spoustu nezávislých objektů. Začne vykazovat kolektivní kvantové chování.

Tento stav předpověděli Satyendra Nath Bose a Albert Einstein už ve dvacátých letech 20. století. První Boseho–Einsteinovy kondenzáty byly vytvořeny z ultrachladných atomových plynů až o mnoho desetiletí později. V roce 2010 se vědcům podařilo ukázat, že podobnou kondenzaci lze za speciálních podmínek vytvořit také z fotonů. Nový experiment ale sledoval jinou otázku: co se děje bezprostředně před samotným přechodem?

Před změnou začne systém „komunikovat“ na stále větší vzdálenost

V blízkosti kritického bodu se mnoho fyzikálních systémů chová zvláštně. Mikroskopické fluktuace začnou být propojené na stále větších vzdálenostech.

U kapaliny lze podobný efekt vidět jako kritickou opalescenci: kapalina poblíž kritického bodu začne být zakalená, protože hustotní fluktuace narostou do velkých rozměrů a silně rozptylují světlo.

Fyzici tento jev popisují pomocí korelační délky. Ta udává, na jakou vzdálenost spolu změny v různých částech systému souvisejí. Tým z Bonnu, Heidelbergu a mexické UNAM poprvé změřil růst této korelační délky u fotonového plynu bezprostředně před jeho kondenzací.

Různé věci mohou používat stejnou matematiku

Právě zde se dostáváme k jednomu z nejkrásnějších konceptů fyziky: univerzalitě. Voda, magnet nebo kvantový plyn jsou na mikroskopické úrovni úplně jiné systémy. Poblíž fázového přechodu se ale mohou některé z nich začít řídit stejnými matematickými zákony.

Detaily jednotlivých molekul nebo částic přestanou být rozhodující. Důležitější je počet rozměrů, symetrie systému a charakter interakcí.

Nový experiment ukázal, že téměř neinteragující fotonový plyn vykazuje kritické chování odpovídající vlastní univerzální třídě Boseho plynu. Fyzici tak získali mimořádně čistou platformu, na níž lze základní teorii fázových přechodů testovat.

_{MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT}

Fyzikové nastavili času zrcadlo. Odražená vlna se chová, jako by se přehrávala pozpátku. Proč je to tak fascinující?

Světlo se nezměnilo v obyčejnou hmotu

Tady je potřeba odolat nejsnazší titulkové zkratce. Vědci neproměnili fotony v atomy a nevytvořili z paprsku světla pevnou cihlu. Fotony zůstaly fotony. Jejich kolektivní statistické chování se však v uměle vytvořeném systému začalo řídit zákony, které dobře známe z fyziky materiálních látek. A právě to je na experimentu pozoruhodné.

Něco, co v běžném životě chápeme jako nehmotné světlo, lze zavřít mezi dvě mikroskopická zrcadla, nechat interagovat s barvivem a sledovat, jak vytváří plyn, jehož korelace rostou přesně tak, jak má růst systém těsně před změnou fáze.

Příroda má mnoho různých materiálů. Ale někdy pod jejich povrchem používá stejné matematické příběhy.

_{MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT}

Fyzikové nastavili času zrcadlo. Odražená vlna se chová, jako by se přehrávala pozpátku. Proč je to tak fascinující?

Oheň, který změnil planetu (5.): Co by bylo, kdybychom nikdy neovládli oheň

Fyzikové chtěli konečně zjistit, jak se taví diamant. Výsledek vyřešil dvacet let starou záhadu

^{Zdroje: Kód Enigma [1], Science Advances – Observation of critical scaling in the Bose gas universality class [2], Heidelberg University – Experiments Reveal “Critical Behavior” of Light [3], img AI generated}