科研進展
近代物理所在光子玻色愛因斯坦凝聚研究中取得進展
近期，中國科學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域取得進展。團隊通過修正的動力學方程發(fā)現(xiàn)，高能光子與冷電子氣體相互作用會促進光子向低能端聚集，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。相關成果于2月26日發(fā)表于《天體物理學雜志》（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現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚，一直是物理學與天體物理學中備受關注的前沿科學問題。1924年，愛因斯坦預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“無靜止質量”的特性，曾被認為難以進入凝聚態(tài)。1969年，蘇聯(lián)物理學家在研究宇宙中光子與冷電子散射時，首次提出“光子凝聚”的天體物理構想；直至2010年，實驗才首次在光學諧振腔中于室溫條件下實現(xiàn)了光子凝聚。
中國科學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，從而在理論上實現(xiàn)光子的玻色-愛因斯坦凝聚。
研究團隊重新推導了Kompaneets方程，該方程引入了適用于高能區(qū)間的修正項，同時采用了湯姆遜散射截面的半解析近似形式，從而突破了經典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?shù)膮^(qū)域。
團隊通過數(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——這正是玻色-愛因斯坦凝聚的典型特征。熵演化分析進一步表明，該凝聚態(tài)對應系統(tǒng)熵最大的熱力學平衡態(tài)。
然而，研究也指出，在實際宇宙等離子體環(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，其時間尺度短于凝聚形成所需的時間，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，在真實宇宙環(huán)境下可能難以長期維持。
該研究不僅從運動學與熱力學角度揭示了光子凝聚的形成機制，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模擬、高能天體物理及實驗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，對光子分布隨時間演化的數(shù)值模擬結果。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。
本研究由中國科學院近代物理研究所陳旭榮研究員團隊完成，郭冰昂為第一作者。研究獲得國家重點研發(fā)計劃項目的資助。?
論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae42cc
（核子結構室???供稿）
