Бозоны, один из двух фундаментальных классов частиц, были в центре внимания бесчисленных физических исследований. Когда бозонные частицы переходят в уже занятое конечное квантовое состояние, скорость этого перехода увеличивается за счет так называемого «числа заполнения» — эффекта, известного как бозонная стимуляция. Появление бозонной стимуляции в процессах рассеяния света было впервые предсказано более тридцати лет назад, однако непосредственное наблюдение за ней в экспериментальных условиях до сих пор оказалось сложной задачей.

Исследователи из Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института недавно впервые наблюдали бозонное усиленное рассеяние света в ультрахолодном газе. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Physics , могут открыть новые захватывающие возможности для изучения бозонных систем.

«Для бозонов скорость перехода в уже занятое квантовое состояние увеличивается за счет их числа заполнения: эффект бозонной стимуляции», — сказал Phys.org Ю-Кун Лу, один из исследователей, проводивших исследование.

«В то время как бозонная стимуляция наблюдалась в различных формах, бозонная стимуляция светорассеяния была предсказана более 30 лет назад, но оказалась неуловимой для прямого наблюдения . рассеянный свет при приближении к квантовому вырождению, это было бы «неопровержимым доказательством» бозонного усиления».

Для проведения эксперимента Лу и его коллеги подготовили сверххолодное облако газа 23 Na высокой плотности. Затем они направили на него свет и измерили количество рассеянных фотонов, исходящих из системы.

Они обнаружили, что рассеяние фотонов уже усиливалось до того, как система перешла в конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). Это усиление, однако, становится еще больше ниже точки фазового перехода, что, как предсказывает теория, произойдет в присутствии бозонной стимуляции.

«Мы наблюдали усиление рассеяния света уже выше фазового перехода БЭК и более выраженное усиление ниже фазового перехода», — объяснил Лу. «Сравнивая данные с теоретическим предсказанием, мы обнаружили, что взаимодействие между атомами также может влиять на рассеяние света, особенно ниже фазового перехода. Кроме того, мы показали, что для многоуровневой системы, приготовленной в одном внутреннем состоянии, происходит бозонное усиление. только для рэлеевского рассеяния, но не для комбинационного рассеяния».

Недавнее исследование Лу и его коллег предлагает первый эксперимент бозонной стимуляции рассеяния атомного света в ультрахолодном газе. Наблюдения группы ясно демонстрируют, как квантовая статистика и взаимодействия могут изменять оптические свойства бозе-газа.

«Понимание взаимодействия между квантовой статистикой, взаимодействием и фазовым переходом в процессах рассеяния света представляет не только фундаментальный интерес, но и имеет решающее значение для количественной диагностики бозонных систем с использованием оптических методов», — добавил Лу. «В нашей будущей работе было бы перспективно изучить бозонное усиление рассеяния света в ящичном потенциале из-за отсутствия неоднородности плотности. В этом случае эффект усиления будет больше, а изучение эффекта взаимодействия будет больше.»

В своих следующих исследованиях исследователи также надеются использовать светорассеяние для характеристики сильно взаимодействующих систем, в том числе систем с сильным диполярным взаимодействием, которые являются анизотропными и дальнодействующими. Это может продвинуть текущее понимание этих сильно взаимодействующих систем, а также предоставить жизненно важные экспериментальные данные, которые могут помочь проверить теоретические предсказания.