Όσον αφορά τα σωματίδια του φωτός, το συλλογικό είναι πιο σημαντικό από το ατομικό. Όταν πρέπει να αποφασίσουν ανάμεσα σε δύο καταστάσεις, θα προτιμήσουν εκείνη που έχουν ήδη υιοθετήσει πολλά από τα ομοειδή τους σωματίδια. Ωστόσο, αυτή η «κολλεκτιβιστική» τάση δεν εκδηλώνεται παρά μόνο όταν αρκετά φωτόνια συγκεντρωθούν στο ίδιο σημείο.
Τα ευρήματα αυτά, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάπτυξη υπερ-ισχυρών πηγών λέιζερ, μεταξύ άλλων.
Φυσική των φωτονίων και συλλογική συμπεριφορά
Η φυσική γνωρίζει δύο θεμελιωδώς διαφορετικά είδη σωματιδίων: τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Τα φερμιόνια είναι ατομικιστές: αν τα περιορίσεις σε μικρό χώρο, δεν μπορούν να καταλάβουν την ίδια κατάσταση. Τα ηλεκτρόνια γύρω από έναν πυρήνα είναι ένα παράδειγμα· αν δύο ηλεκτρόνια θέλουν να βρίσκονται στο ίδιο «νέφος» (ή τροχιακό), πρέπει να έχουν διαφορετικό σπιν, δηλαδή να περιστρέφονται προς διαφορετική κατεύθυνση.
Αντίθετα, τα μποζόνια προτιμούν να κάνουν τα πράγματα μαζί και να μοιράζονται την ίδια κατάσταση. Τα φωτόνια ανήκουν σε αυτή την κατηγορία. Αν ψύξεις αρκετά φωτόνια και τα κλείσεις όλα μαζί σε έναν πολύ μικρό χώρο, συγχωνεύονται σε ένα είδος γιγαντιαίου «υπερφωτονίου». Αλλά τι θα συνέβαινε αν τα ανάγκαζες να πάρουν μία από δύο ελαφρώς διαφορετικές αποχρώσεις (ενέργειες); Θα δημιουργούνταν δύο διαφορετικά «υπερφωτόνια» διαφορετικού χρώματος; Ή θα διάλεγαν όλα το ίδιο χρώμα για να ικανοποιήσουν την ανάγκη τους για ομοιομορφία;
Η προτίμηση για την παρέα αντί για τη μοναξιά
Αυτό ήταν το ερώτημα που διερεύνησε η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Μάρτιν Βάιτς από το Ινστιτούτο Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βόννης.
«Ξεκινήσαμε χρησιμοποιώντας μια συγκεκριμένη μέθοδο για να δημιουργήσουμε ψυχόμενα φωτόνια», εξηγεί ο Βάιτς, ο οποίος είναι επίσης μέλος του Διεπιστημονικού Τομέα Έρευνας “Matter” (TRA) του Πανεπιστημίου και του Cluster of Excellence ML4Q – Matter and Light for Quantum Computing.
«Έπειτα, κλείσαμε αυτά τα σωματίδια φωτός σε έναν χώρο όπου έπρεπε να υιοθετήσουν ένα από δύο οριακά διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα – δηλαδή, ελαφρώς διαφορετικά χρώματα». Μπορεί να το φανταστεί κανείς σαν ένα εστιατόριο με δύο μακριά τραπέζια όπου μπορούν να καθίσουν οι πελάτες.
Οι ερευνητές παρατήρησαν ποιο «τραπέζι» επέλεγαν τα φωτόνια και διαπίστωσαν ότι τα πρώτα λίγα μοιράζονταν τυχαία ανάμεσα στα δύο. «Αν και το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο ήταν ελαφρώς πιο δημοφιλές, η διαφορά ήταν τόσο μικρή που σχεδόν δεν είχε σημασία», αναφέρει ο Βάιτς.
«Ωστόσο, αυτό ίσχυε μόνο όσο ο αριθμός των φωτονίων ήταν μικρός»
Μόλις ο αριθμός των φωτονίων έφτασε σε μερικές δεκάδες, τα νέα φωτόνια άρχισαν να κατευθύνονται προτιμησιακά προς το τραπέζι με τους περισσότερους «καθισμένους». Αυτή η τάση ενισχυόταν όσο αυξανόταν ο αριθμός, μέχρι που το λιγότερο γεμάτο τραπέζι σταμάτησε σχεδόν να προτιμάται, όταν συγκεντρώθηκαν μερικές εκατοντάδες φωτόνια.
Αυτή η συλλογική συμπεριφορά έχει ήδη παρατηρηθεί σε αέρια που περιέχουν διάφορους τύπους μποζονίων. Στα αέρια, ωστόσο, τα σωματίδια έχουν πάντοτε πολύ περισσότερες πιθανές καταστάσεις να επιλέξουν, αντί για μόνο δύο όπως στην παρούσα περίπτωση.
Η αρχή αυτή θα μπορούσε δυνητικά να αξιοποιηθεί για τη σχεδίαση εξαιρετικά ισχυρών πηγών λέιζερ, καθώς η ενέργεια στο φως λέιζερ μπορεί θεωρητικά να αυξηθεί συνδυάζοντας πολλαπλές πηγές ακτινοβολίας.
«Ωστόσο, αυτό απαιτεί όλες να είναι “σε φάση”, πράγμα που σημαίνει ότι τα κύματα τους πρέπει να είναι απολύτως συγχρονισμένα», επισημαίνει ο Βάιτς. «Αν όχι, οι κορυφές του κύματος της πρώτης δέσμης μπορεί να συναντήσουν τις κοιλάδες της δεύτερης και να αλληλοεξουδετερωθούν».
Αν και η ευθυγράμμιση των φωτεινών κυμάτων από δύο λέιζερ με τόση ακρίβεια δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση, ίσως να είναι εφικτό να αξιοποιηθεί η τάση των φωτονίων για συλλογικότητα ώστε να συνδυαστούν οι δέσμες.
«Τα ευρήματά μας υποδεικνύουν ότι κάτι τέτοιο θα μπορούσε να λειτουργήσει», εξηγεί ο ερευνητής. «Όμως υπάρχει πολύς δρόμος ακόμη μέχρι να γίνει τεχνολογία που θα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε».
More information: Christian Kurtscheid et al, Thermodynamics and State Preparation in a Two-State System of Light, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kynj-l87s. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.14838
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
Provided by University of Bonn