科研進(jìn)展
近代物理所在光子玻色愛因斯坦凝聚研究中取得進(jìn)展
近期，中國科學(xué)院近代物理研究所科研人員在光子玻色-愛因斯坦凝聚研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過修正的動力學(xué)方程發(fā)現(xiàn)，高能光子與冷電子氣體相互作用會促進(jìn)光子向低能端聚集，理論上可形成玻色-愛因斯坦凝聚。該研究對理解早期宇宙中輻射與物質(zhì)相互作用、宇宙微波背景頻譜畸變等問題具有重要理論意義。相關(guān)成果于2月26日發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）。
光子作為自然界中基本的玻色子之一，能否像超冷原子一樣實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚，一直是物理學(xué)與天體物理學(xué)中備受關(guān)注的前沿科學(xué)問題。1924年，愛因斯坦預(yù)言了玻色氣體的凝聚現(xiàn)象；然而，光子因“粒子數(shù)不守恒”與“無靜止質(zhì)量”的特性，曾被認(rèn)為難以進(jìn)入凝聚態(tài)。1969年，蘇聯(lián)物理學(xué)家在研究宇宙中光子與冷電子散射時(shí)，首次提出“光子凝聚”的天體物理構(gòu)想；直至2010年，實(shí)驗(yàn)才首次在光學(xué)諧振腔中于室溫條件下實(shí)現(xiàn)了光子凝聚。
中國科學(xué)院近代物理研究所科研人員通過理論研究發(fā)現(xiàn)，高能光子與冷電子氣體的相互作用可提升光子向低能端的聚集效應(yīng)，從而在理論上實(shí)現(xiàn)光子的玻色-愛因斯坦凝聚。
研究團(tuán)隊(duì)重新推導(dǎo)了Kompaneets方程，該方程引入了適用于高能區(qū)間的修正項(xiàng)，同時(shí)采用了湯姆遜散射截面的半解析近似形式，從而突破了經(jīng)典Kompaneets方程僅適用于低能光子的限制，可拓展至高能光子能量與電子熱能相當(dāng)?shù)膮^(qū)域。
團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值模擬從初始黑體譜出發(fā)的光子分布演化過程，發(fā)現(xiàn)在嚴(yán)格光子數(shù)守恒條件下，光子分布會逐漸向低能端聚集，最終在零能態(tài)附近形成粒子數(shù)密度增強(qiáng)——這正是玻色-愛因斯坦凝聚的典型特征。熵演化分析進(jìn)一步表明，該凝聚態(tài)對應(yīng)系統(tǒng)熵最大的熱力學(xué)平衡態(tài)。
然而，研究也指出，在實(shí)際宇宙等離子體環(huán)境中，雙康普頓散射和韌致輻射等光子數(shù)不守恒過程會吸收低頻光子，其時(shí)間尺度短于凝聚形成所需的時(shí)間，從而在觀測上抑制了穩(wěn)定凝聚態(tài)的出現(xiàn)。因此，盡管光子玻色-愛因斯坦凝聚在理論框架中具備可行性，在真實(shí)宇宙環(huán)境下可能難以長期維持。
該研究不僅從運(yùn)動學(xué)與熱力學(xué)角度揭示了光子凝聚的形成機(jī)制，還明確了散射積累與吸收耗散兩類過程在天體物理環(huán)境中的競爭關(guān)系。該研究所建立的理論框架與數(shù)值方法也為今后在宇宙學(xué)模擬、高能天體物理及實(shí)驗(yàn)室等離子體研究中探索玻色-愛因斯坦凝聚行為提供了新的視角。
圖：基于修正的Kompaneets方程，對光子分布隨時(shí)間演化的數(shù)值模擬結(jié)果。紅線表示已形成玻色-愛因斯坦凝聚狀態(tài)的光子；未凝聚部分光子趨向于符合由溫度Te表征的普朗克分布。
本研究由中國科學(xué)院近代物理研究所陳旭榮研究員團(tuán)隊(duì)完成，郭冰昂為第一作者。研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。?
論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae42cc
（核子結(jié)構(gòu)室???供稿）
