연구원들은 빛으로 1차원 가스를 생성합니다.

본 대학과 카이저슬라우테른-란다우 대학(RPTU)의 물리학자들은 빛으로 1차원 가스를 생성했습니다. 이를 통해 처음으로 물질의 이국적인 상태로의 전환에 대한 이론적 예측을 테스트할 수 있었습니다. 연구진이 실험에 사용한 방법은 양자 효과를 조사하는 데 사용될 수 있습니다. 이번 연구 결과는 'Nature Physics' 저널에 게재됐습니다.

당신이 수영장에 서 있다고 상상하고 더 많은 물을 채우는 아이디어를 생각해 보십시오. 정원용 호스를 잡고 이를 사용하여 높은 호 모양으로 곡선을 그리며 수영장 표면에 떨어지는 물줄기를 생성합니다. 물줄기가 수영장에 닿는 지점에서 수위가 잠시 증가하지만 떨어지는 물이 물 전체에 빠르게 분산되기 때문에 수위의 변화는 미미합니다.

그러나 물줄기로 배수구를 채우면 효과가 달라집니다. 제트는 호스를 조준하는 지점에 물의 물결을 생성합니다. 이는 홈통의 벽이 물이 표면을 가로질러 흘러나올 수 없고 홈통 방향으로만 분배될 수 있도록 보장하기 때문입니다. 홈통이 좁을수록 파동의 진폭이 높아지므로 "더 1차원적"이 됩니다.

본 대학교 응용물리학 연구소(IAP)의 물리학자들은 RPTU의 동료들과 협력하여 이제 빛 입자로 만든 가스에서도 비슷한 차원성 효과를 얻을 수 있는지 조사했습니다. "이러한 유형의 가스를 만들려면 제한된 공간에 많은 광자를 집중시키고 동시에 냉각해야 합니다." 본 대학교의 학제간 연구 분야 "물질"의 일원이기도 한 IAP의 Frank Vewinger 박사가 설명합니다.

현미경으로 작은 홈통

실험에서 연구원들은 작은 용기에 염료 용액을 채우고 레이저를 사용하여 여기시켰습니다. 생성된 광자는 컨테이너의 반사 벽 사이에서 앞뒤로 반사되었습니다. 염료 분자와 충돌할 때마다 궁극적으로 광자 가스가 응축될 때까지 냉각되었습니다.

가스의 차원은 반사 표면의 표면을 수정함으로써 영향을 받을 수 있습니다. IAP의 연구원들은 이 연구에 대해 RPTU의 Dr. Georg von Freymann 교수가 이끄는 연구 그룹과 협력했습니다. 본 실험에서는 광자 컨테이너의 반사 표면에 적용할 수 있도록 고해상도 구조화 방법을 적용했습니다. RPTU의 Julian Schulz는 "우리는 반사 표면에 투명한 폴리머를 적용하여 현미경으로 작은 돌출부를 만들 수 있었습니다."라고 설명합니다. "이러한 돌출부를 통해 우리는 광자를 1차원 또는 2차원에 가두어 응축할 수 있습니다."

이번 연구의 주저자인 Kirankumar Karkihalli Umesh는 "이러한 폴리머는 일종의 홈통처럼 작용하지만 이 경우에는 빛에 사용됩니다."라고 말했습니다. "이 홈통이 좁을수록 가스는 더욱 1차원적으로 행동합니다."

열 변동으로 인해 응축점이 흐려집니다.

2차원에는 응축이 발생하는 정확한 온도 한계가 있습니다. 이는 정확히 섭씨 0도에서 물이 어는 것과 유사합니다. 물리학자들은 이것을 상전이라고 부릅니다. "그러나 2차원 가스 대신 1차원 가스를 생성하면 상황이 약간 달라집니다."라고 Vewinger는 말합니다. "소위 열 변동은 광자 가스에서 발생하지만 2차원에서는 너무 작아서 실제 영향은 없습니다. 그러나 한 차원에서는 이러한 변동이 비유적으로 말하면 큰 파도를 만들 수 있습니다."

이러한 변동은 1차원 시스템의 질서를 파괴하여 가스 내의 서로 다른 영역이 더 이상 동일하게 동작하지 않게 합니다. 결과적으로, 여전히 2차원으로 정확하게 정의되어 있는 위상 전이는 시스템이 1차원적으로 될수록 점점 더 "번져 나가게" 됩니다. 그러나 그 특성은 2차원 기체의 경우처럼 여전히 양자물리학의 지배를 받으며, 이러한 유형의 기체를 축퇴양자기체라고 합니다. 이는 마치 물이 냉각될 때 완전히 얼지 않고 저온에서 얼음물로 변하는 것과 같습니다. Vewinger는 "이제 우리는 처음으로 2차원에서 1차원 광자 가스로 전환할 때 이러한 동작을 조사할 수 있게 되었습니다."라고 설명합니다.

연구 그룹은 1차원 광자 가스가 실제로 정확한 응축점을 갖지 않음을 입증할 수 있었습니다. 고분자 구조에 작은 변화를 줌으로써 이제 서로 다른 차원 사이의 전환에서 발생하는 현상을 매우 자세하게 조사하는 것이 가능해졌습니다. 이것은 현재로서는 여전히 기초 연구로 간주되지만 양자 광학 효과에 대한 새로운 응용 분야를 열 수 있는 가능성이 있습니다.

참여 기관 및 자금:

본 연구에는 본 대학교의 IAP, 카이저슬라우테른의 프라운호퍼 산업 수학 연구소(ITWM), 카이저슬라우테른-란다우 대학교(RPTU) 등의 기관이 참여했습니다. 이번 연구는 유럽연합의 유럽연구위원회(ERC)와 공동연구센터 TRR 185의 일환으로 독일연구재단(DFG)의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240906141649.htm