Bozony, jedna z dwóch podstawowych klas cząstek, były przedmiotem niezliczonych badań fizycznych. Kiedy cząstki bozonowe przechodzą do już zajętego końcowego stanu kwantowego, tempo tego przejścia jest zwiększane przez tak zwaną „liczbę zajętości”, efekt znany jako stymulacja bozonowa. Pojawienie się stymulacji bozonowej w procesach rozpraszania światła po raz pierwszy przewidziano ponad trzy dekady temu, jednak bezpośrednia obserwacja jej w warunkach eksperymentalnych okazała się jak dotąd trudna.

Naukowcy z MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms po raz pierwszy zaobserwowali ostatnio bozonowe wzmocnione rozpraszanie światła w ultrazimnym gazie. Ich ustalenia, opublikowane w Fizyka przyrodymoże otworzyć nowe ekscytujące możliwości badania systemów bozonowych.

„W przypadku bozonów szybkość przejścia do już zajętego stanu kwantowego jest wzmocniona przez jego liczbę zajętości: efekt stymulacji bozonowej” – powiedział Phys.org, jeden z badaczy, który przeprowadził badanie, Yu-Kun Lu.

„Podczas gdy stymulację bozonową obserwowano w różnych formach, bozonowa stymulacja rozpraszania światła była przewidziana ponad 30 lat temu, ale okazała się nieuchwytna dla bezpośredniej obserwacji. Mówiąc prościej, jeśli ktoś oświetli idealny gaz Bosego w sposób perturbacyjny i zaobserwuje wzmocnienie rozproszone światło, gdy zbliża się do degeneracji kwantowej, byłby to „dymiący pistolet” dowód wzmocnienia bozonowego”.

Aby przeprowadzić eksperyment, Lu i jego koledzy przygotowali ultrazimną chmurę ²³Gaz Na o dużej gęstości. Następnie oświetlili go światłem i zmierzyli liczbę rozproszonych fotonów pochodzących z układu.

Odkryli, że rozpraszanie fotonów zostało wzmocnione jeszcze przed przejściem układu do kondensatu Bosego-Einsteina (BEC). To wzmocnienie staje się jednak jeszcze większe poniżej punktu przejścia fazowego, co zgodnie z przewidywaniami teorii miałoby miejsce w obecności stymulacji bozonowej.

„Zaobserwowaliśmy wzmocnienie rozpraszania światła już powyżej przejścia fazowego BEC i wyraźniejsze wzmocnienie poniżej przejścia fazowego” – wyjaśnił Lu. „Porównując dane z przewidywaniami teoretycznymi, odkryliśmy, że interakcja między atomami może również wpływać na rozpraszanie światła, zwłaszcza poniżej przejścia fazowego. Ponadto wykazaliśmy, że dla układu wielopoziomowego przygotowanego w jednym stanie wewnętrznym następuje wzmocnienie bozonowe tylko dla rozpraszania Rayleigha, ale nie dla rozpraszania Ramana”.

Niedawne badania przeprowadzone przez Lu i jego współpracowników stanowią pierwszy eksperyment bozonowej stymulacji rozpraszania światła atomowego w ultrazimnym gazie. Obserwacje zespołu wyraźnie pokazują, w jaki sposób statystyki kwantowe i interakcje mogą modyfikować właściwości optyczne gazu Bosego.

„Zrozumienie wzajemnego oddziaływania między statystyką kwantową, interakcją i przemianą fazową w procesach rozpraszania światła ma nie tylko fundamentalne znaczenie, ale ma również kluczowe znaczenie dla ilościowej diagnostyki systemów bozonowych za pomocą metod optycznych” – dodał Lu. „W naszej przyszłej pracy obiecujące byłoby zbadanie bozonowego wzmocnienia rozpraszania światła w potencjale pudełka ze względu na brak niejednorodności gęstości. W takim przypadku efekt wzmocnienia będzie większy, a badanie efektu interakcji będzie bardziej bezpośredni.”

W swoich kolejnych badaniach naukowcy mają również nadzieję, że wykorzystają rozpraszanie światła do scharakteryzowania systemów silnie oddziałujących, w tym systemów z silnymi interakcjami dipolarnymi, które są anizotropowe i dalekiego zasięgu. Może to pogłębić obecną wiedzę na temat tych silnie oddziałujących systemów, dostarczając jednocześnie istotnych danych eksperymentalnych, które mogą pomóc w weryfikacji przewidywań teoretycznych.

© 2023 Sieć Science X