给光粒子加上一个“暂停”键

如何阻止那些在自然中比任何东西都要快、且无形的物体呢？由物理学家Thorsten Peters博士和Thomas Halfmann教授领导的一个研究小组正在做一件看似不可能的事情：在很短的一秒钟内让光停止。然后，他们按下一个按钮，让光脉冲结束这中途的停留继续其旅程。研究人员甚至正在阻止单个的轻粒子。

听起来像是一个物理噱头的东西，可能在将来的应用中十分有用。所谓的量子技术试图利用量子物理的奇异效应来实现更快的计算机、更精确的传感器和防虫通信。光子作为信息载体在量子技术中起着决定性的作用。

例如，为了达到这一目的，物理学家们要求光源在按下按钮时发射单个光子。为了处理存储在光粒子上的信息，单个光子相互作用也很重要，而光子通常不会相互作用。例如，在未来的量子计算机中，光子必须将其信息传递给原子，反之亦然。为此，这两种粒子之间的相互作用也必须加强，这是由达姆施塔特工业大学的一个研究小组通过阻止光子的运动进行实现的。

这个紧急停车灯怎么工作？如今，可以通过冻结光子并在特定命令下重新发射它们来实现。然而，当它们停止时，光子就不存在了。它们被原子云吞没，然后原子云呈现出所谓的激发态，并将光子存储为信息。只有在接收到一个信号时，激发才会变回光子，然后继续。达姆施塔特工业大学的研究人员正在以类似的方式进行这项研究，但有一个关键的区别：他们的光子实际上被保留了下来。

光束实际上是静止不动的。研究小组使用了一种特殊的玻璃纤维，其中心有一个直径小于1万分之一毫米的中空通道。这种纤维的核心周围有一个多孔结构，可以挡住光线。这使得激光束集中在空心通道的中心。它的横截面缩小到大约千分之一毫米。研究人员将光束用作原子的一种陷阱。他们将铷原子引入空心光纤，由于电磁力，空心光纤集中在激光束的中心。然后，研究人员将他们想要停止的光子发送到通道中。粗略地说，光子被另外两束激光束完全停止，这两束激光束被引导到两侧的中空光纤中。从隐喻的角度来说，它们像两个足球运动员来回踢球一样将光子保持在它们之间。

 “它也类似于一个房间，光线在两个镜子之间来回投射，”Thorsten Peters解释说“在其中没有镜子。”达姆施塔特工业大学团队是第一个成功地用这种方法减缓如此狭窄的毛细管中光子的速度的团队，这并不容易。它被称为双折射的光学特性弄得极其复杂。研究小组通过费力的双折射分析改进了他们的方法，使得停止单个光子成为可能。

“但让光本身停止并不能满足应用。”Peters说：“我们的目标是使光子与原子的相互作用比平时更强烈。特别是，两个轻粒子应该可以同时与一个原子相互作用，这将产生一种在物理学中称为非线性光学的有用现象，在这种现象中，光子穿透一种介质，例如一种特殊的水晶。当两个光子同时撞击晶体中的一个原子时，它们相互作用，从而改变了光的频率，即颜色。例如，新频率可以是发送进来的光子的频率之和。”

“这种效果有很多技术应用，例如在激光指示器中。这种方法确实有一个缺点：需要高强度的激光来保证足够多的光子对同时击中介质中的一个原子。”另一方面，Peters说：“用我们的方法，弱光强度就足够了。”这是可能的，因为原子被限制在与空心光纤内激光束相同的狭窄区域内，从而使光与原子云之间的接触最大化。因此，即使在光强度较低的情况下，两个光子同时撞击原子的概率也相对较高。因此，同样的技术诀窍，使它能够停止光子也应该创造一个新的方法，非线性光学。

达姆施塔特工业大学团队对如何应用他的新流程有了更多的想法。其中之一涉及一个可切换的单光子源。另一个是创造一个光子晶体。晶体通常由排列成绝对规则网格的原子组成，类似于层状球体。大量停止的光子也可能形成有序网格。“我们可以用这个来模拟固体，”Peters说。固体材料物理学是一个活跃的研究领域。理论模型常被用于研究中，以便通过计算机模拟更好地了解它们。但这些模型非常复杂，很快就把电脑压得喘不过气来。因此，研究人员正在寻找其他方法来模拟晶体。一个由光子组成的模拟固体就是一种方法。

Peters说：“我们正在继续对此进行深入研究。据这位物理学家说，与其他研究小组的合作对成功至关重要。该小组在欧盟资助的一个项目框架内，与来自台湾和保加利亚的团体合作，完成了目前的工作。工业伙伴也参与了这一研究项目，其目标是开发光与物质相互作用的创新技术。“相互交流非常有效，”Peters高兴地说。下一个成功不久就会到来。

原文来源：https://phys.org/news/2020-06-button-particles.html