編譯/吳學(xué)平
冷凍光:找到新的可能
編譯/吳學(xué)平
光子與原子之間的模糊界線變得更加曖昧了。量子物理學(xué)家首次創(chuàng)造出處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的光子——這一物質(zhì)形態(tài)先前被懷疑只可能在原子上實現(xiàn)。新技術(shù)可以被用來提高太陽能電池與激光的效率。
玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)的一種奇特的量子形態(tài)。德國波恩大學(xué)的量子物理學(xué)家馬丁·魏茨解釋說,這一理論是薩蒂延德拉·納特·玻色與阿爾伯特·愛因斯坦在上世紀20年代首先提出來的。這兩位科學(xué)家推斷說,假如某些原子被冷凍至接近絕對零度的溫度,那么原子的量子特性就會占據(jù)主導(dǎo)地位。這樣的話,所有原子都會收縮,轉(zhuǎn)化成同樣的量子態(tài),于是都“步調(diào)一致”,集體行動,就好像是某種超級原子似的。
1995年,兩個實驗小組各自獨立使用銣原子和鈉原子首次制造出玻色-愛因斯坦凝聚體。從理論上講,物理學(xué)家知道應(yīng)該同樣有可能利用光子來制造玻色-愛因斯坦凝聚體。但這在現(xiàn)實中似乎不太可能,因為與原子不同的是,光子在實驗中無法保存。魏茨說,這就意味著當你想要冷凍光子時,它們就在實驗中消失了,因為被周圍實驗裝置中的原子吸收了。他解釋說:“如果你想要冷卻一個燈泡,它就會熄滅——光就這么消失了?!?/p>
現(xiàn)在,魏茨與同事找到一種方法,可以延長光在實驗中的逗留時間,于是科學(xué)家就有足夠的時間制造出光子的玻色-愛因斯坦凝聚體。這一技術(shù)的細節(jié)刊登在2011年1月24日的英國《自然》雜志上。
為防止通常沒有質(zhì)量的光子發(fā)生逃逸,實驗小組將光子鎖團在兩塊曲面鏡之間的空穴中。鏡子限定了光子的移動與振動方式,迫使光子群像原子那樣活動,總質(zhì)量相當于一個銣原子的一百億分之一。
實驗小組之所以知道這些光子是何時變成玻色-愛因斯坦凝聚體的,是因為處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的那部分光子會在空穴中央形成一束明亮的黃光——如同一束激光。黃光周圍則彌散著普通光子。
美國麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)た颂乩招稳葸@一成果是“物理學(xué)上的精彩一頁”,消除了原子與光子的又一個區(qū)別??颂乩疹I(lǐng)導(dǎo)的研究團體是首批利用原子制造出玻色-愛因斯坦凝體的實驗小組之一,他因此與他人分享了2001年諾貝爾物理學(xué)獎。
新技術(shù)也許有朝一日可實際用于收集和聚焦日光。雖然普通透鏡可以在晴天聚焦太陽能電池內(nèi)的陽光,但玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)技術(shù)的優(yōu)勢在于同樣可以收集陰天里各個方向的散射光。
克特勒表示,光子的玻色-愛因斯坦凝聚體還提供了生成激光束的新方法。他說:“現(xiàn)在討論可能的應(yīng)用方法具有多強的競爭力還為時尚早,不過我們應(yīng)該探索那些可能性?!?/p>