Водяной пар становится жидким при температуре ниже 100 градусов Цельсия — он конденсируется. Физики говорят о фазовом переходе. При этом некоторые термодинамические характеристики воды резко меняются. Например, за один ход может быть сохранено в два раза больше тепловой энергии, чем в газообразном состоянии.
Свет состоит из крошечных неделимых частиц, фотонов. При определенных условиях они тоже могут конденсироваться, если их достаточно охладить. Многие тысячи этих световых пакетов затем внезапно сливаются в своего рода суперфотон с необычными характеристиками — так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.Фотонный газ также резко меняет характеристики аккумулирования тепла.
Физики из Боннского университета теперь смогли показать, что фотонный газ при этом фазовом переходе ведет себя в соответствии с теоретическими предсказаниями Бозе и Эйнштейна: подобно воде, он резко меняет свою способность аккумулировать тепло, что означает способность аккумулировать тепло. энергия. «Такое поведение уже было известно по конденсированным атомам», — объясняет профессор доктор Мартин Вайц из Института прикладной физики. «Однако это первый раз, когда это явление было продемонстрировано для конденсата света».Атомы тоже образуют конденсат Бозе-Эйнштейна, когда они сильно охлаждаются и их достаточное количество одновременно концентрируется в небольшом пространстве.
Затем они внезапно становятся неразличимыми: они действуют как один гигантский атом. Двадцать лет назад физики уже продемонстрировали, что теплоемкость атомов внезапно изменяется при этом фазовом переходе.
Однако, насколько сильно это изменение, для атомов можно измерить только неточно. «В нашем конденсате это можно сделать значительно лучше», — подчеркивает д-р Ян Кларс, который с тех пор переехал из Бонна в ETH Zurich.Теплоемкость материала рассчитывается исходя из энергии, необходимой для его нагрева на один градус.
Обычно это делается путем измерения температуры вещества до и после добавления определенного количества энергии. Однако температуру светового газа нельзя измерить термометром; но это тоже не обязательно. «Чтобы определить температуру газа, необходимо только знать разные длины волн световых частиц — распределение их цветов», — говорит Кларс. И это можно определить с чрезвычайной точностью с помощью доступных сегодня методов.«Наши выводы об изменении теплоемкости при переходе от фотонного газа к конденсату Бозе-Эйнштейна в точности соответствуют теоретическим предсказаниям», — объясняет Тобиас Дамм из Института прикладной физики. «Точность этого метода настолько высока, что он очень подходит для точного измерения некоторых естественных термодинамических констант».
Теплосодержание фотонного газа изменяется не только при конденсации в суперфотон, но также непрерывно в зависимости от температуры окружающей среды. Поэтому боннские физики надеются, что их открытия также могут быть использованы для создания высокоточных термометров.