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物理学家将光子冷冻在玻色-爱因斯坦冷凝物中

2019-12-05 126 字号

光线可以以不同的方向照射,通常也可以以相同的方式照射回来。然而,波恩大学和科隆大学的物理学家们成功地创造了一条新的单向光路。它们将光子冷却成玻色-爱因斯坦凝聚体,使光聚集在光学“山谷”中,再也无法返回。基础研究的发现也可能对未来的量子通信产生重要影响。研究结果发表在《科学》杂志上。
光束通常被指向一个分光镜:一部分光线被反射回来以产生镜像,其余的光则通过镜子。”然而,如果实验设置颠倒了,这个过程可以扭转。”波恩大学应用物理研究所的马丁·韦茨教授说。如果反射光和通过反射镜的部分光是朝相反的方向发送的,则可以重建原始光束。物理学家研究光的奇异光学量子态。韦茨和他的团队以及科隆大学理论物理研究所的阿希姆·罗什博士一起,正在寻找一种通过冷却光子来产生光学单向通道的新方法。由于光子能量较小,光应该聚集在山谷中,从而不可逆地被分割。物理学家们将由光子组成的玻色-爱因斯坦凝聚体用于这一目的,韦茨在2010年首次实现了这一目标,成为第一个创造出这种“超级光子”的人。一束光在两个镜子之间来回反射。在此过程中,光子与位于反射面之间的染料分子碰撞。染料分子“吞下”光子,然后再把它们吐出来。“光子获得染料溶液的温度。”韦茨说,“在这过程中,它们会冷却到室温而不会消失。通过用激光照射染料溶液,物理学家增加了反射镜之间的光子数。光粒子的强烈浓度加上同时冷却,使得单个光子融合形成一个“超级光子”,也称为玻色-爱因斯坦凝聚。两个光谷“捕捉”光线目前的实验是按照这个原理进行的。然而,两个镜子不是完全平坦的,而是有两个小的光学谷。当光束进入其中一个凹痕时,波长就会变长。然后光子的能量就会降低。这些轻粒子被染料分子“冷却”,然后在山谷中进入低能状态。“在我们的实验中,两个山谷如此接近,以至于隧道耦合发生,因此,再也无法确定哪些光子在哪个山谷中。”研究人员说。光子被保存在两个山谷中,进入系统的最低能量状态,这就不可逆转地将光分裂,就像它穿过单行道尽头的交叉路口一样,而光波则以不同的缩进保持同步。科学家们希望,这种实验安排将有可能产生更复杂的量子态,从而产生交错光子多粒子态。也许有一天量子计算机可能会使用这种方法相互通信,形成一种量子互联网。


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