Science | 极度可压缩的“光量子气体”

撰稿 | 范嘉豪（香港城市大学，博士生）

众所周知，气体是可压缩的。当我们挤压气泵时很容易推动活塞，但如果装满水则基本上无法推动活塞，这则是因为气体的压缩性比液体大很多。在热力学和流体力学范畴中，压缩性（Compressibility）是一个衡量因压强改变而造成的相对体积变化的度量。气体通常由随机运动的原子或分子等粒子组成，粒子之间距离大，密度变化范围广，导致气体压缩性很大。

光在这些方面类似于气体，因为微观上光由光子构成，根据波粒二象性这些光子在某些行为上可视为粒子，科研人员可以将处理气体粒子的方法应用于光子，“光子气体”也因此得名。

德国波恩大学的研究人员近日在实验室中创造出了在特定条件下极度可压缩的光量子气体，并构建了相应的量子状态方程，其研究结果进一步验证了量子力学中的玻色-爱因斯坦凝聚态现象，同时也为物理学中非平衡现象，相变理论，声波传导以及高灵敏度传感器等领域提供了新方法。

该成果以“Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box”为题在线发表在 Science。

聚合光量子气体

研究人员首先将光子储存在一个由镜子组成的盒子里，盒子的空间结构实际上是一个填充染料分子的二维纳米光学微腔。为了盒内的光子数量保持稳定，需要持续给盒内染料分子提供泵浦源以补偿镜面传输造成的光子损失。同时这些光子组成的光量子气体便会染料分子发生作用并加热到分子的振动温度，即室温（T=300K）。泵浦源可以决定光量子气体的密度，而染料分子的激发则可以改变其化学势。随着光子数的不断增加，光量子气体的密度也随之增大。

图1：“光子盒”艺术效果图（图源：Light新媒体/VEER）

压缩光量子气体