在一項突破性的發展中，倫敦帝國學院的物理學家重新創造了歷史性的雙縫實驗，該實驗表明光在時間而不是空間中表現為粒子和波。通過使用能夠在幾毫秒內改變其光學特性的材料，研究小組成功地將光射穿了一層氧化銦錫薄膜，為光的通過創造了時間上的”狹縫”。

該實驗不僅提供了對光的基本性質的見解，而且也是開發先進材料以控制空間和時間的墊腳石。這些材料有可能為新技術做出貢獻，並幫助研究基本物理現象，如黑洞。

該實驗依靠的是能夠在幾分之一秒內改變其光學特性的材料，這些材料可用於新技術或探索物理學的基本問題。

最初的雙縫實驗是由托馬斯-楊於1801年在英國皇家學會進行的，表明光作為一種波的作用。然而，進一步的實驗表明，光實際上既表現為波又表現為粒子–揭示了其量子性質。

這些實驗對量子物理學產生了深遠的影響，不僅揭示了光的雙重粒子和波的性質，還揭示了其他”粒子”，包括電子、中子和整個原子。

現在，一個由倫敦帝國學院物理學家領導的團隊已經利用時間而非空間的”狹縫”進行了實驗。他們通過向一種在飛秒（四億分之一秒）內改變其屬性的材料發射光來實現這一目標，只允許光在特定時間內快速通過。

首席研究員、帝國理工學院物理系的里卡多-薩皮恩扎教授說：”我們的實驗揭示了更多關於光的基本性質，同時作為創造能夠在空間和時間上細微控制光的終極材料的墊腳石。”

該實驗的細節今天（2023年4月3日）發表在《自然-物理》雜誌上。

項目成員Romain Tirole在倫敦帝國學院調整研究中使用的設備。資料來源：托馬斯-安格斯，倫敦帝國學院

最初的雙縫設置涉及將光照向一個不透明的屏幕，屏幕上有兩條平行的細縫。屏幕後面是一個檢測器，檢測通過的光線。

為了以波的形式通過狹縫，光分裂成兩個波，分別通過每個狹縫。當這些波在另一側再次交叉時，它們會相互”干擾”。在波峰相遇的地方，它們會相互增強，但在波峰和波谷相遇的地方，它們會相互抵消。這在探測器上形成了光多和光少區域的條紋圖案。

光也可以被分割成被稱為光子的”粒子”，它們可以被記錄下來，一次一次地擊中探測器，逐漸建立起條紋狀的干涉圖案。即使研究人員一次只發射一個光子，干擾圖案仍然出現，就像光子一分為二並穿過兩個狹縫一樣。

在該實驗的經典版本中，從物理狹縫中出現的光會改變其方向，因此干涉圖案被寫在光的角度輪廓中。相反，新實驗中的時間狹縫改變了光的頻率，從而改變了其顏色。這創造了相互干擾的光的顏色，增強和抵消了某些顏色，產生了一個乾涉型圖案。

該小組使用的材料是一層氧化銦錫薄膜，它是構成大多數手機屏幕的基礎材料。該材料的反射率被激光器以超快的時間尺度改變，為光創造了”縫隙”。該材料對激光控制的反應比研究小組預期的要快得多，在幾飛秒內改變其反射率。

這種材料是一種超材料–它被設計成具有自然界中沒有的特性，這種對光的精細控制是形成超材料的基礎條件之一，當與空間控制相結合時，可以創造出新的技術，甚至是用於研究黑洞等基本物理現象的類似物。

共同作者John Pendry爵士教授說：”雙倍時間狹縫實驗為一種全新的光譜學打開了大門，它能夠在輻射的一個週期範圍內解決光脈衝的時間結構。”

該團隊接下來希望在”時間晶體”中探索這一現象，它類似於原子晶體，但其光學特性隨時間變化。

共同作者Stefan Maier教授說：”時間晶體的概念有可能導致超快的、平行的光學開關”。