@ 2017.10.22 , 12:00

彩虹陷阱:超低速光的奇妙应用

彩虹陷阱:超低速光的奇妙应用
Credit: Imperial College London

没有任何东西的移动速度可以比光速更快:每秒299792458米。当光通过如水、玻璃等透明的材质时,速度会稍微减慢。科学家为此有了一个大胆的想法,制造出极其特殊的介质,令光通过其中时变得极其迟缓,只有在真空中速度的数百万分之一。那时候,我们可以以一种前所未有的方式来利用光,不管是传输保存信息,还是光学手段控制单个分子的行为,都会变得更加容易。

现任帝国理工学院材料物理系利弗休姆教授席位的Ortwin Hess教授,在2007年与他的学生Kosmas Tsakmakidis及其合作者Allan Boardman发表了一篇理论论文

他们指出,通过使用超常介质——被人类设计出来具有自然界中没有的属性的材料——可以减缓光线,甚至捕捉凝滞光子。10年后的今天,他们在Science上发表了一篇发展了上述思想的新的理论,以及如何进行相关实验和应用的评论。

我们采访了Hess教授,请他通俗的讲解光线是如何变成“被捉住的彩虹”,以及这项研究的潜在应用将如何扩展磁存储、激光、生物成像甚至是地震预防等诸多技术。

Q:为什么要叫“彩虹陷阱”?怎么才能捉住彩虹?

A:制造捕捉彩虹的装置,主要依靠超常材料或具有负性能的纳米级等离子发生器,再用“正常”材料将他们裹起来。

当光线穿过超常介质时,在两种介质的交接处,它会发生轻微的后退。就像人走上一个陡峭的雪坡——每向前走一步,你都会打滑一下,减慢你的前进速度。

超常材料的不同之处在于每次光线被它推回去时,光再次通过那里的速度会越来越慢。最终,随着太阳光速度减慢,其不同的光谱部分——所有的色彩都会凝结在不同的地方,就像是“落入到陷阱中的彩虹”。

彩虹陷阱:超低速光的奇妙应用
Credit: Imperial College London

Q:在您的原始文献里,您建议将其用于数据传输。那该怎么工作?

A:由于光线在光纤中行进非常快,而且宽带——覆盖了如今大部分地区——是非常有效的数据传输方法。然而,为了从快速移动的流中访问数据,我们需要减慢速度。这就像一辆驶下高速公路的汽车——它必须在接近路□□汇处时减速。这个过程称为缓冲。

目前,为了减缓光信号的速度,我们必须将它们转换为电脉冲,然后在被访问后重新将其转换为光,以读取其原始数据。通过减缓光线本身而不是转换它,这个过程将会更有效率。我们还可以更广泛地使用光来广泛传输数据。

Q:您的研究里如何使用缓慢近乎停止的光?

A:慢光的一种用处是增加光和物质之间的相互作用。通常,因为光子移动得如此之快,所以它与物质的交互作用不大。通过放慢速度,我们可以使这些互动更强大,以新的方式操纵事物。

例如,我们最近与剑桥大学合作实现了这一目标。我们把一个分子和一个光子,放在一个微小的发生器里,成功使它们的性质相互混合。

彩虹陷阱:超低速光的奇妙应用
Credit: Imperial College London

我的团队也对慢光激光发生器很感兴趣。激光发生器可以在特定波长处增强光源,可以聚焦成束并且长距离传播而不失去焦点,传统的手电筒射出的光柱在一段距离就会发散,而激光不会。

激光,通过往活性分子中的电子泵入能量,令其处于不稳定的高能状态,此时会存在一定概率,电子释放出光子,回落到较低的能量状态,此时被激发出来的光子队列,光学特性一样,步调极其一致。然后,这些光子在有限的空间内反弹,刺激更多的活性分子同步释放光子,直到产生高能光束。

慢光将允许活性分子和光子之间更久更多地相互作用,相当于更容易地和更局部地形成激光,而不会在空间周围弹射散逸。

Q:自从您提出这个想法以来,想必又有人提出了很多创新应用。您能告诉我们一些吗?

A:理论上,我们的应用是研究凝滞光或超低速光的粒子性和波动包的量子行为。

一个有趣的实际应用例子是将光聚焦到很小的一点上,以便在微观尺度上产生局部高温。可以应用到增强磁存储技术上——就是运行您的计算机硬盘那种东西。

磁存储需要形成微小的磁场,但是磁化存储设备的时候为了避免磁场的互相干扰,必须保证存储设备具有一定的尺寸。现在通过在极其狭窄的区域用慢光精确地聚焦,就可以增加材料温度,产生微小的磁场,这意味着我们可以增加存储密度或减小存储设备的大小。

另一个潜在的应用是生物医学成像。为了对一些生物材料进行成像,必须增加激光的强度,但这可能会破坏样品。通过减缓光线,我们可以使光子与样品进行更长时间的作用,而不会损害样品。

此外,“彩虹陷阱”不仅仅适用于光也适用于电子,乃至一切物质波!一个真正异想天开的想法,实际上正在被帝国理工学院的研究人员测试。通过将大型超常材料铺满地面或切割成树木的形状插入地表;计算机模拟已经表明这种做法可以将地震波转向地面,通过传入超常介质,使地震波减缓,保护城市免收地震的毁坏。

本文译自 phys,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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