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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”。
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。
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。