Fizikçilerin üzerinde çalıştığı maddelerin çoğu, aşırı fazla sayıda parçacıktan oluşmuş durumda oluyor. O kadar çok parçacık oluyor ki, suyun bir damlası ile bir havuz dolusu miktarının davranışsal özellikleri arasında pek fark olmuyor. Tek bir damlanın içinde trilyonlarca parçacık olabiliyor. Bu, onların toplu davranışlarının anlaşılmasını nispeten kolay hâle getiriyor. Örneğin, hem bir damla su hem de bir havuz su 0 santigrat derecede donup, 100 santigrat derecede kaynıyor.

Böylesi "faz geçişleri" (yani sıvıdan katıya ya da sıvıdan gaza hâl değişimleri) bu büyük sistemlerde kolayca görülebiliyor, çünkü süreçte çok fazla parçacık yer almış oluyor. Peki ya çok daha küçük sistemler? Sadece birkaç parçacığın olduğu sistemlerde de aynı faz geçiş kuralları geçerli mi?

Bu soruyu yanıtlamak için Imperial College London, Oxford Üni. ve Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü bilimcileri 10 fotondan daha az foton içeren bir sistem oluşturdu. Yaptıkları deneyler sonucunda, faz geçişlerinin ortalama olarak 7 tane gibi az sayıda fotondan oluşan sistemlerde de gerçekleştiğini ortaya koydular. Ekibin bulguları, Nature Physics dergisinde yayımlandı.

Parçacıkların kuantum davranışlarını incelemek, az sayıda parçacıkla daha kolaydır. Dolayısıyla böyle küçük sistemlerde faz geçişlerinin gerçekleşiyor olması, bilimcilerin eşdurumluluk gibi kuantum parçacıkları daha iyi inceleyebilecekleri anlamına geliyor. Makalenin başyazarı Dr. Robert Nyman şöyle açıklıyor: "Böylesine küçük sistemlerde "faz geçişi"nin hâlâ yararlı bir kavram olduğu artık doğrulanmış olduğuna göre, özellikleri büyük sistemlerde mümkün olmayan yollarla keşfedebiliriz. Özellikle de, madde ve ışığın kuantum özelliklerini, faz geçişi gerçekleştiğinde en küçük ölçekte neler olduğunu inceleyebiliriz."

Ekibin üzerinde çalıştığı sistem, fotonların oluşturduğu bir Bose-Einstein yoğuşuk maddesi idi. Kuantum parçacıklarından oluşan bir gaz (kuantum gazı) çok soğuk olduğunda veya parçacıklar birbirlerine çok yakın olduklarında birbirlerinden ayırt edilemez hâle gelerek, Bose-Einstein yoğuşuk maddesi oluşturabilirler. Bose-Einstein yoğuşuk maddesi, katılardan da, sıvılardan da, gazlardan da, plazmalardan da çok farklı olan bir madde hâlidir.

Araştırmacılar, sisteme foton ekleyerek, sistem yaklaşık 7 fotonlu olduğunda, Bose-Einstein yoğuşuk maddesine faz geçişinin gerçekleşebileceğini buldu; bu sayı, şimdiye dek görülen tüm Bose-Einstein yoğuşuk maddelerindeki parçacık sayısından daha az. Bu kadar küçük olduğu için geçiş, havuz dolusu su gibi büyük sistemlerde olduğundan çok daha ender ama geçişin belli bir öngörülebilir noktada gerçekleşiyor olması, büyük sistemlerdeki durumu gayet iyi yansıtıyor.

Deney düzeneği oldukça basit aletlerden oluşuyordu: Biraz florasan boya ve eğik aynalar. Bunun anlamı, kuantum özelliklerin incelenmesinde yararlı olduğu kadar, sistem ışığın özel durumlarını yaratmakta ve yönetmekte de kullanılabileceği demek oluyor.