僅僅七個光子就能像幾十億光子那樣運作
一個由少量粒子組成的系統就像一個更大系統，讓科學家們更容易地研究量子行為。物理學家研究的大多數物質都是由大量的粒子組成的，其大小在一滴或一個游泳池的純水行為特性之間幾乎沒有區別。即使是一個水滴也能包含超過千萬億粒子。這使得理解它們的集體行為相對容易。例如，水滴和池子里的水都在0點凍結，煮沸100攝氏度。這種「相變」(即從液體到固體或從液體到氣體)在這些大系統中可能會突然出現，因為涉及的粒子太多，它們似乎同時起作用。
博科園-科學科普：但是在小得多的系統中呢？當只有少量的粒子時，相變的規則也適用嗎?為了回答這些問題，來自倫敦帝國理工學院、牛津大學和德國卡爾斯魯厄理工學院的一組科學家製作了一個不到10個光子的系統，光子是光的基本粒子。實驗結果發表在2018年9月《自然物理》上，結果表明相變仍然發生在平均只有7個粒子組成的系統中。在粒子較少的情況下，研究粒子的量子行為要容易得多，因此，在這些小系統中發生相變的事實意味著科學家們能夠更好地研究量子特性，比如相干性。
核心設備的藝術圖，圖片：Imperial College London
來自帝國理工學院物理系的主要作者羅伯特·尼曼博士說：現在已經證實『相變』在這樣小的系統中仍然是一個有用的概念，可以用在大系統中不可能的方式來探索性質。特別地，我們可以研究物質和光的量子特性——當相變發生時，在最小尺度上發生了什麼。研究小組研究的系統是玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)光子。
BECs的形成是由於量子粒子的氣體溫度非常低或者非常接近，以至於不能再分辨出來。BEC是一種物質狀態，其性質與固體、液體、氣體或等離子體非常不同。研究小組發現，通過向系統中加入光子，一旦系統達到7個光子左右，就會發生到BEC的相變，比以往任何BEC都要少。
由於如此之小，這種轉變並不像在水池這樣的大系統中那樣突然，但這種轉變發生在一個可預測的點上，這一事實很好地反映了較大的系統。這個系統是用一個簡單的裝置——一些熒光染料和曲面鏡創建的。這意味著，該系統不僅在量子特性研究中有用，還可以用來創建和操縱特殊的光態。來自帝國理工學院物理系的合著者Florian Mintert博士說：在兩個截然不同的世界中（相變物理學和小系統的可及性）這種不尋常的光源在測量或感測方面有潛在應用。
博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Nature Physics》｜研究/來自：倫敦帝國理工學院，DOI: 10.1038/s41567-018-0270-1
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