氣體通常由在空間高速旋轉的原子或分子組成，容易被壓縮。光和氣體非常相似。光的最小成分是光子(即光子)。雖然光子在某些方面表現得像粒子，但光子也可以被視為壹種不尋常的氣體。此前，科學家從理論上預言，在壹定條件下，人們可以毫不費力地壓縮光量子氣體。
此次，波恩大學應用物理研究所(IAP)馬丁·韋茨(Martin Weitz)教授領導的研究團隊首次在實驗中證明了上述理論預測，並開發出了壹種可以被極度壓縮的光量子氣體。這個結果揭示了高度可壓縮玻色-愛因斯坦凝聚體的形成。玻色-愛因斯坦凝聚是玻色子原子冷卻到接近絕對零度時的氣態和超流態。相關結果發表在《科學》雜誌上。
“為了做到這壹點，我們將光子儲存在壹個由鏡子制成的小盒子裏，”主要研究員朱利安·施密特說。"我們放入的光子越多，光子氣體的密度就越大."
壹般來說，氣體的密度越大，就越難壓縮。起初，隨著研究人員將更多的光子放入鏡盒，氣體壓縮變得更加困難。但在某個時刻，情況突然發生了變化:壹旦光子氣體超過壹定密度，研究人員就可以毫不費力地將其壓縮。
"這種效應來自量子力學的規則."施密特說，光粒子會表現出壹種“模糊性”，即光子的位置會逐漸變得模糊。當光子在高密度下彼此非常接近時，它們會開始重疊，因此很容易壓縮這樣壹種量子簡並氣體。
如果重疊足夠大，光子就會融合形成壹個超級光子，也就是玻色-愛因斯坦凝聚體。這個過程可以比喻為水的凍結:在液態下，水分子是無序的。但在冰點，冰晶會形成，並最終合並成壹個擴大的高度有序的冰層。“有序冰島”就在玻色-愛因斯坦凝聚體形成之前形成。隨著光子的進壹步增加，會越來越大。只有當這些“冰島”有序地擴展到包含光子的整個鏡盒時，才會形成凝聚態。這就像壹個湖泊，獨立的浮冰最終結合在壹起形成壹個統壹的冰面。
為了創造壹種粒子數可變、溫度確定的氣體，研究小組使用了“熱浴”方法:將分子放入鏡盒中吸收光子。隨後，分子釋放出新的光子，這些光子具有分子的平均溫度，略低於26.85攝氏度，相當於室溫。這種方法將有助於科學家在室溫下研究奇怪的量子相位。
此外，團隊還克服了另壹個實驗障礙。由於光子氣體的密度通常是非均勻的，研究人員采用微結構的方法，用平面鏡盒捕捉光子，首次成功研制出均勻的光子氣體。
未來，極可壓縮的光量子氣體將有助於開發壹種新的傳感器，可以測量微小的力。這壹研究成果不僅具有技術前景，而且具有重要的基礎研究價值。