作者：Zeeya Merali
光和原子之间模糊的界限已被进一步模糊。量子物理学家利用光子创造了首个玻色-爱因斯坦凝聚态——这一壮举直到现在还被认为仅对原子而言是可能的。这项技术可用于提高太阳能电池和激光器的效率。
玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）是一种奇异的物质量子态。它们最初在1920年代由萨特延德拉·纳特·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦提出，他们推断，如果将某些原子冷却到接近绝对零度的极低温度，量子效应就会占据主导地位。结果，所有原子都被挤压到相同的量子态，因此它们“步调一致”，集体表现得好像它们是一种超原子，德国波恩大学的量子物理学家马丁·魏茨解释说。
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1995年，两个实验小组分别独立地用铷原子和钠原子产生了首批BEC的例子。理论上，物理学家知道，使用光粒子或光子形成BEC也是可能的。但实际上，这似乎几乎不可能，因为与原子不同，实验中光子的数量是不守恒的。这意味着，当你试图冷却光子时，它们会从实验中消失，被装置中周围的原子吸收，魏茨说。“如果你试图冷却灯泡，它就会熄灭——光就消失了——这就是大问题，”他解释说。
光阱
现在，魏茨和他的同事们找到了一种方法，使光能够停留足够长的时间来创造光子的BEC——该技术的细节发表在11月24日出版的《自然》杂志上。为了防止通常无质量的光子逃逸，该团队将它们捕获在两个弯曲镜面之间的腔体中。镜子限制了光子移动和振动的方式——迫使它们表现得好像是质量比铷原子小约一百亿倍的原子。
为了构建标准的BEC，原子通常必须彼此碰撞，以平衡它们的温度。但光子，即使是那些具有微小“质量”的光子，相互作用也太弱而无法做到这一点。因此，该团队在腔体中添加了染料分子；这些分子吸收并重新发射光子，帮助它们达到热平衡。“BEC形成的神奇之处在于，当你将越来越多的光子泵入腔体时，直到突然，没有更多的光子能够进入这种热平衡，因此它们会凝聚出来，”魏茨说。这些额外的光子经历量子跃迁，落入相同的低能态并形成BEC。
该团队可以判断何时发生跃迁，因为BEC中的少量光子在腔体中心形成了强烈的黄色光束——像激光一样——周围环绕着剩余正常光子的“气体”。为了再次确认他们看到的是光BEC，研究人员用不同数量的光子重复了实验。在每种情况下，一旦发生跃迁，他们就测量了从腔体泄漏出来的光谱，发现它与相应BEC的理论预测相符。
根本区别
马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒——他因领导首次用原子产生BEC的团队之一而分享了2001年诺贝尔物理学奖——将这项工作描述为“一项壮观的物理学成就”，它消除了原子和光之间又一个区别。“当我就玻色-爱因斯坦凝聚态发表演讲时，我经常谈到为什么它们不能用光子制造，以突出光子和原子之间这个根本的区别——但现在即使是这个区别也消失了，”他说。
德国弗莱堡大学的量子物理学家马蒂亚斯·魏德米勒说，这项实验背后的想法“非常巧妙”，但具有讽刺意味的是，实施起来却相对容易。“与超冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚相比，目前的实验非常简单，”他说。
魏德米勒说，这项技术有一天可能在收集和聚焦阳光方面具有实际应用。他解释说，虽然普通透镜可以在晴朗的日子里将阳光集中在太阳能电池中，但BEC技术的优势在于，它还可以在阴天收集各个方向散射的光。
克特勒说，光子BEC还可以提供一种产生激光束的替代方法。“现在说可能的应用有多大的竞争力还为时过早，但应该探索它们，”他补充道。