玻色-爱因斯坦凝聚（Bose- Einstein Condensation, BEC），即整数自旋粒子（玻色子）系统在临界温度以下的的宏观基态，20年来一直在冷原子气体，和固态极化激元准粒子中被观测和研究。然而，广为人知的光子(玻色子）气体的例子—黑体辐射，却没有表现出玻色爱因斯坦凝聚。2010年，研究表明，在低截止频率的小型光腔中，光子能谱被限制在热能以上，在充满染料的光学微腔中获得了光子的玻色爱因斯坦凝聚[1]。实验包括光子气体的加热过程，即通过染料分子的吸收和再发射过程加热到室温。实验结果给出了对光的新量子态，例如周期势，新波段光源等的研究前景。
图1：充满染料的微腔，包含两个高反射率球面介质膜反射镜。 |
实验
对黑体辐射而言，将光子盒冷却到低温下，并不会引起BEC。根据普朗克定律，当降低光子的温度时，它会从系统中消失。为了克服这个物理上的瓶颈，我们在充满染料的、反射镜间距在波长量级的光学微腔中捕获光子气体，可同时提供光子数保持的热化过程及显著的光子气体基态。
我们的光学微腔包括2个球面介质膜反射镜，其反射率高于99.9975%，间隔1.5 μm（图1）。自由谱范围超出了腔内所用染料溶剂的荧光的谱宽，有效地抑制了纵向的自由度，使系统成为二维系统[2]。所用的溶解在甲醇中的若丹明6G染料，量子效率近100%，发射光谱范围550nm-600nm。
当腔体发射光基模沿着光轴传输时，高阶横模发散角更大，将整个光子气体正确的成像在探测器上是非常有挑战的。
我们使用532nm附近波长的泵浦激光器来激发染料分子。对有机染料的持续泵浦，引发了三重态的激发，减弱了系统的发光。激光经声光斩波为500ns（典型）脉宽，100Hz以下的脉冲。激发，离开腔体的光子数在1E7量级。
在实验中，我们应用iXon Ultra 897 EMCCD（Andor的DU897U-CS0-BV）相机，非常成功的拍摄了腔体发光的空间分布影像。图2给出了高度布居的基态光子（N0/N>60%）的图像，周围被更高能量光子所形成的热云包围。借助于iXon相机的单光子灵敏度和高动态范围，我们通过单次实验获得了双模光子空间分布的全部信息。
图2: a) 微腔发光图片。基模（白色）叠加于热光子云之上。所示图片拍摄时EM增益设为250，以用足像素的满阱容量。 b) 水平方向分布。数据具备足够的信噪比和可忽略的噪声本底，清晰展现了热光子云和高度布居凝聚模式的双模叠加分布。 |
参考文献：
J. Kl?rs, J. Schmitt, F. Vewinger & M. Weitz, Nature 468, 545 (2010)
J. Kl?rs, J. Schmitt, T. Damm, F. Vewinger & M. Weitz, Appl. Phys. B 105, 17 (2011)