波恩大學的物理學家們通過實驗證明，統計物理學中的一個關鍵定理適用於玻色-愛因斯坦凝聚體。這一發現使得對這些量子”超級粒子”的特定屬性的測量成為可能，為推導出原本難以觀察到的系統特徵提供了一種手段。這項研究的結果已經發表在《物理評論快報》雜誌上。

玻色-愛因斯坦凝聚物是阿爾伯特-愛因斯坦和印度物理學家薩蒂恩德拉-納特-博斯在20世紀20年代預測的一種物質狀態。在這種狀態下，一組玻色子，也就是具有整數自旋的粒子，坍縮成相同的量子狀態，表現為單一實體。這導致了一系列獨特的屬性，包括零粘度和零阻力的流動，這在其他物質狀態中是觀察不到的。

假設在你面前有一個容器，裡面裝著一種未知的液體。你的目標是找出其中的粒子（原子或分子）因其熱能而來回隨機移動的程度。在沒有一台顯微鏡的情況下，你可以用它來觀察這些被稱為”布朗運動”的位置波動。

事實證明根本不需要，可以簡單地把一個物體綁在繩子上，然後把它拉過液體。要施加的力越大，液體就越有粘性。而它的粘性越大，液體中的粒子平均改變其位置的程度就越小。因此，在特定溫度下的粘度可以用來預測波動的程度。

光子（綠色）–可以被染料分子（紅色）”吞噬”，隨後再次”吐出”。這種可能性越大，光子數量的波動就越大。資料來源：J. Schmitt/波恩大學

描述這一基本關係的物理規律是波動-消散定理。用簡單的話說，它指出。你需要從外部擾動一個系統的力量越大，如果你不去管它，它自己隨機（即統計學上）波動的程度也就越小。波恩大學應用物理研究所的朱利安-施密特博士解釋說：”我們現在首次證實了該定理對一組特殊量子系統的有效性：玻色-愛因斯坦凝聚體。”

玻色-愛因斯坦凝聚物是一種奇特的物質形式，由於量子力學效應而產生。在某些條件下，粒子，無論是原子、分子，甚至是光子（構成光的粒子），都變得無法區分。數以百計或數千計的粒子合併成一個”超級粒子”–玻色-愛因斯坦凝結物（BEC）。

朱利安-施密特博士，–波恩大學應用物理研究所的初級研究小組組長

在有限溫度下的液體中，分子會隨機地來回移動。液體的溫度越高，這些熱波動就越明顯。玻色-愛因斯坦凝結物也會出現波動。凝結粒子的數量會發生變化。而這種波動也隨著溫度的升高而增加。

“如果波動-消散定理適用於BECs，其粒子數的波動越大，它們對外部擾動的反應應該越敏感，”施密特強調說。”不幸的是，通常研究的超冷原子氣體中的BECs的數量波動太小，無法測試這種關係。”

然而，馬丁·魏茨教授的研究小組（施密特是該小組的初級研究組長）正在研究由光子組成的玻色-愛因斯坦凝聚體。而對於這個系統來說，這個限制並不適用。”我們使BEC中的光子與染料分子相互作用，”這位物理學家解釋說，他最近獲得了歐盟為年輕科學家提供的高額獎金，即所謂的ERC啟動資金。當光子與染料分子相互作用時，經常會發生一個分子”吞噬”一個光子。染料因此變得能量激發。它隨後可以通過”吐出”一個光子來釋放這種激發能量。

“由於與染料分子的接觸，我們的BEC中的光子數量顯示出很大的統計波動，”物理學家說。此外，研究人員可以精確控制這種變化的強度。在實驗中，光子被困於兩面鏡子之間，在那里以乒乓球遊戲的方式來回反射。鏡子之間的距離可以改變。它變得越大，光子的能量就越低。由於低能量的光子不太可能激髮染料分子（所以它們被吞噬的頻率較低），現在凝聚的光粒子的數量波動要小得多。

波恩的物理學家們現在研究了波動的程度與BEC的”反應”有什麼關係。如果波動-消散定理成立，這種敏感性應該隨著波動的減少而減少。施密特強調說：”事實上，我們能夠在我們的實驗中證實這種效應。”他也是波恩大學跨學科研究領域（TRA）”物質”和卓越集群”ML4Q – 量子計算的物質和光”的成員。

與液體一樣，現在有可能從更容易測量的宏觀反應參數中推斷出玻色-愛因斯坦凝結物的微觀特性。施密特說：”這為新的應用開闢了一條道路，例如在復雜的光子系統中精確測定溫度。”