@ 2017.10.22 , 12:00
19

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——它必须在接近路口交汇处时减速。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。


给这篇稿打赏,让译者更有动力
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.8
赞一个 (14)

TOTAL COMMENTS: 19+1

  1. 3592951

    “黑域”计划开始了?

    [11] XX [16] 回复 [0]
  2. 3592952

    “黑域”计划开始了 ?

    [0] XX [20] 回复 [0]
  3. Spector
    @1 month ago
    3592956

    这不是黑域,黑域是降低真空光速,这个,其实是防护能量场的雏形

    [66] XX [1] 回复 [0]
  4. Spector
    @1 month ago
    3592959

    这不是黑域,黑域是降低真空光速,这个,其实是防护能量场的雏形

  5. 戈饭
    @1 month ago
    3592967

    寻找“往日之光”
    在科幻小说《往日之光》中,作者鲍勃•肖幻想了一种慢透光玻璃,讲述了一段美丽动人的故事.
    “想像有一种玻璃,光在这种玻璃中运动的速度极慢,通过半厘米厚需要10年,比蜗牛的速度还慢得多.当一块慢透光玻璃制出来时,望上去总是一片漆黑,因为还没有光穿过它.把这种玻璃放在风景秀丽的林中、湖边,带着这些美丽的景致的光陷入慢透光玻璃中,10年也出不来.把在这种地方放了10年的玻璃镶在城市住宅的窗户上,那么,在下一个10年的过程中,这个窗子外面便仿佛呈现出林中湖泊的美景.各种动物无声的前来饮水,空中百鸟飞翔,日夜在交替,季节在变化.身居闹市,犹如别墅.”
    这确实是一个有意思的幻想,但关键是要降住飞驰的光.科学技术发展到今天,部分科幻已经开始变成现实.
    (1)本文作者进行科学幻想的依据是什么?
    (2)在生活和学习中你一定也有许多奇思妙想吧,简要写出一种想像及其依据.

    [172] XX [1] 回复 [8]
  6. 下水道盾妈
    @1 month ago
    3592970

    光束刀前置科技?

  7. 护菊
    @1 month ago
    3592975

    碰上彩虹,吃定彩虹

    [19] XX [0] 回复 [0]
  8. 3592985

    这个图不是一把铰刀吗

  9. 肉肉
    @1 month ago
    3593011

    当我看到你的时候,你的话已经说完了,,,视频通话而已嘛

  10. 3593107

    国土炼成阵

  11. 3593174

    metamaterials 一般翻译成超材料,不过无所谓了

    超材料真的很给力,配合变换光学,可以做出来各种波段的隐身斗篷,还有一些别的很有意思的东西

    超材料还能用于减慢光速,真的是很神奇

  12. 3593175

    关键是:色散会不会因此增强?

  13. 神响
    @1 month ago
    3593234

    光储蓄

  14. doushitaolu
    @1 month ago
    3593487

    @戈饭:
    把这些景色用一种叫摄像机的设备拍下来,存储到一种叫硬盘的设备上,10年后再用一种叫显示器的设备播放出来,这个就是电视的工作原理啊。

    [14] XX [1] 回复 [0]
  15. wanghang2917
    @1 month ago
    3593499

    16.7?黑域?

  16. 囧囧囧
    @1 month ago
    3593752

    这个东西和电视屏幕的区别是,玻璃是散射的,理论上可以从玻璃不同角度看到不同的视野。另外,这种产品的初期产品可以用来当照明灯

  17. alpha_boy
    @1 month ago
    3593757

    搜了下互动百科里的超材料词条,有什么斜角沉积法,生成纳米柱……一听就觉得八成生产成本和生产CPU差不多或者更贵,要把一座楼底下铺上这种超材料,可能还要铺很厚很厚的好几层来防地震,可能楼里的居民都破产了也做不到吧?

    也许几十上百年后能在可接受的成本下造出人人都用得起的抗震大楼?有生之年系列。

    不过这个理念挺稀奇的,长见识了。

  18. 脑子坏掉了
    @1 month ago
    3593875

    这种介质的折射率会不会特别大?以至于斜射进去的光会被偏折到几乎与介质表面平行?

  19. 脑子坏掉了
    @1 month ago
    3593877

    错了,是垂直

发表评论


24H最赞