物理學家在一個新的維度上揭示了光的量子性質
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”。