Azért nem minden nap sikerül egydimenziós gázt létrehozni – sőt valójában a Nature Physics folyóiratban publikált kutatás volt az első, amely ilyen eredménnyel büszkélkedhet. A szóban forgó új anyagállapot, a fotongáz ráadásul a nevének megfelelően kizárólag fényrészecskékből, tehát fotonokból áll. És hogy mire lesz jó? Mint azt a Live Science cikke taglalja, a fotongáz remek lehetőséget kínál a kutatóknak olyan kvantumoptikai jelenségek felfedezésére, amelyek eddig ismeretlenek voltak.

A fotongáz megalkotásához csak egy lézerre volt szükség, valamint egy festékkel töltött, fényvisszaverő tartályra – a lézersugarat a kutatók ebbe a tartályba irányították. A folyamat során a fotonok a festékmolekulákkal ütközve fokozatosan lehűltek, vagyis energiát vesztettek, majd végül kondenzálódtak. Ez a kondenzáció tette lehetővé a fotongáz kialakulását. Frank Vewinger, a tanulmány vezető szerzője és a Bonni Egyetem fizikusa így nyilatkozott:

“Ahhoz, hogy ilyen típusú gázt létrehozhassunk, sok fotont kell összesűrítenünk egy zárt térben, miközben hűtjük őket.”

A fotonok bozonok, tehát olyan részecskék, amelyek teljes spinjük miatt képesek egy időben ugyanazon állapotot és teret betölteni. Amikor a bozonokat közel nullára hűtik le, energiát veszítenek, és azonos energiaállapotba kerülnek, aminek eredménye egy különleges anyagforma, az úgynevezett Bose-Einstein kondenzátum. Ebben az állapotban a részecskék helyzete bizonytalanná válik, összemosódnak, és úgy viselkednek, mintha egyetlen óriási részecskét alkotnának, nem pedig különálló részecskékből állnának.

Bár a fizikusok korábban már létrehoztak kétdimenziós fotongázokat, az egydimenziós változat előállítása sokkal nagyobb kihívást jelentett. Vewinger ezt így magyarázta:

“Ha egydimenziós gázt készítünk, az másképp viselkedik, mint a kétdimenziós megfelelője. A fotongázokban hőingadozások figyelhetők meg, de kétdimenziós rendszerekben ezek olyan aprók, hogy nincs különösebb hatásuk. Egy dimenzióban viszont ezek az ingadozások – képletesen szólva – nagy hullámokat vetnek.”

A kutatók finomhangolták a fényvisszaverő tartályt, hogy létrehozzák az egydimenziós fotongázt. A tartály falait átlátszó polimerrel vonták be, amely megváltoztatta a fény visszaverődését, és gyakorlatilag egyetlen vonalba – egyetlen dimenzióba sűrítette azt. Kirankumar Karkihalli Umesh, a vezető kutató így jellemezte az eszközt:

“Ezek a polimerek olyanok, mint egy ereszcsatorna, de ebben az esetben a fény számára szolgának (nem az esővíznek – a szerk.). Minél szűkebb ez a csatorna, annál inkább egydimenziós lesz a gáz viselkedése.”

Az egydimenziós fotongáz vizsgálata jelentős eltéréseket mutatott a kétdimenziós megfelelőjéhez képest. Egy dimenzióban a hőingadozások egyes helyeken akadályozzák a teljes kondenzációt, ami csak részleges fázisátalakuláshoz vezet, hasonlóan ahhoz, mint amikor a víz nem fagy meg teljesen.

A fotongázok különböző dimenziókban való viselkedésének megértése pedig tehát azért fontos, mert amint már említettük, ezen kísérletek új kvantumoptikai jelenségek felfedezéséhez vezethetnek.

(A cikkhez használt kép illusztráció, forrása: Pixabay/geralt)