Většina látek, s nimiž si hraje fyzika, se skládá ze skutečně ohromného množství částic. Jejich počty se vymykají lidské představivosti. Tím pádem je v zásadě jedno, jestli zkoumáte vlastnosti vody v plaveckém bazénu anebo v jediné kapičce. I v té kapce vody je totiž více než biliarda částic. Díky tomu obstojně rozumíme jak chování vody v bazénu, tak i chování vody v kapce. Například, v obou těchto množstvích voda mrzne při 0 °C a vře při 100 °C.
Při zmrznutí a varu jde o fázové přechody. Kapalina se změní na pevnou látku anebo ve druhém případě na plyn. Fázové přechody přitom často působí dojmem náhlé změny, protože to ohromné množství částic, které tvoří dotyčnou látku, zareaguje prakticky najednou. Jak je to ale v úplně malých systémech? Co když „kapku vody“ tvoří jenom tolik částic, že byste je spočítali na prstech? Jak tohle bude fungovat?
Odpověď na pozoruhodnou otázku hledal mezinárodní tým fyziků z britských Imperial College London a University of Oxford plus německé Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Postavili systém, který obsahoval méně než 10 fotonů a zkoušeli, jak se bude chovat. Nakonec dospěli k závěru, že i když systém tvoří pouhých sedm částic, tak v něm probíhají fázové přechody stejně, jako kdyby těch částic bylo astronomické množství. Jejich výzkum právě publikoval časopis Nature Physics.
K čemu je to dobré? Výzkum kvantového chování částic je mnohem snazší v systémech, které tvoří jenom pár částic. Fyzici teď budou vědět, že fázové přechody v takových systémech probíhají stejně, jako v systémech měřítka reálného světa. Vedoucí výzkumu Robert Nyman z Imperial College potvrzuje, že díky tomu bude možné zkoumat vlastnosti látek postupy, které by nebyly ve větších měřítcích dostupné. Těší se prý především na to, jak budou studovat kvantové vlastnosti hmoty a záření při fázových přechodech v těch nejmenších měřítcích.
Nyman a spol. vlastně zkoumali Bose-Einsteinův kondenzát fotonů. A v něm sledovali fázové přechody při rekordně nízkém počtu fotonů, což bylo průměrně právě zmíněných sedm. Pro účely experimentu si vytvořili jednoduché zařízení, které zahrnuje fluorescenční barvivo a zakřivená zrcadla. Jejich systém přitom bude možné využít nejen ke studiu kvantových záležitostí, ale také s ním bude možné vytvářet a ovládat speciální stavy záření. Podle autorů studie jejich zařízení rafinovaně propojuje dva doposud vzdálené světy, fyziku fázových přechodů a fyziku velmi malých systémů. Taková technologie by mohla najít řadu zajímavých uplatnění, například v měřících systémech nebo v senzorech.
Literatura
Imperial College London 10. 9. 2018, Nature Physics online 10. 9. 2018.