通常情況下，氣體密度越大，壓縮難度越大。剛開(kāi)始擠壓氣泵時(shí)，活塞很容易被推動(dòng)，但如果推到一定程度時(shí)，即使用力擠壓也無(wú)法推進(jìn)活塞。光量子氣體本質(zhì)上也應(yīng)具有這一特性，如果盒內(nèi)光子數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，光量子氣體也應(yīng)越難被壓縮。

但研究人員發(fā)現(xiàn)了與經(jīng)典氣體不同的現(xiàn)象。他們通過(guò)控制壓電裝置來(lái)調(diào)整盒內(nèi)平面鏡的傾斜度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光量子氣體勢(shì)能的線性變化，從而使光量子氣體能被均勻壓縮，然而當(dāng)光子密度增大到某一臨界點(diǎn)時(shí)，光子會(huì)變得極度可壓縮，壓縮性會(huì)出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。

圖2：水結(jié)冰過(guò)程（圖源：Veer / Light新媒體）

光子自組織

光子在壓縮過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)出一種位置 "模糊性"，即每個(gè)光子是無(wú)法被區(qū)分開(kāi)的，當(dāng)光子密度非常大時(shí)，光子彼此非常接近并開(kāi)始重疊，出現(xiàn)量子兼并現(xiàn)象。如果光子間的重疊效應(yīng)足夠強(qiáng)，光子則會(huì)融合形成一種超級(jí)光子態(tài)，即玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，幾乎全部的光子都聚集到能量最低的量子態(tài)中。

簡(jiǎn)單來(lái)講，就如同水結(jié)冰過(guò)程，起初水分子都是無(wú)序狀態(tài)，隨著溫度下降，一些水分子靠近彼此形成有序的冰晶，即凝固過(guò)程，然后此冰晶會(huì)不斷擴(kuò)展使所有水分子凝聚形成有序的冰層。當(dāng)盒內(nèi)所有光子都進(jìn)入玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)時(shí)，如同所有水分子都形成一個(gè)均勻有序的“冰層”，那么光量子氣體則可以獲得很高的壓縮性。

前景與應(yīng)用

該研究結(jié)果不僅驗(yàn)證了光子的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)理論，而且也為聲波傳導(dǎo)，非平衡現(xiàn)象，相變理論等領(lǐng)域提供了新的研究途徑。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中所使用的壓電裝置控制盒內(nèi)鏡子傾斜度的技術(shù)則有望在未來(lái)應(yīng)用于微力探測(cè)傳感器上。

| 論文信息 |

Erik Busley et al, Compressibility and the equation of state of an optical quantum gas in a box, Science (2022).

www.science.org/doi/10.1126/science.abm2543

封面圖來(lái)源：VOLKER LANNERT / 德國(guó)波恩大學(xué)

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