宇宙中每一種原子都有一個(gè)獨(dú)特的“指紋”：它只吸收和發(fā)射與其電子軌道相匹配的特定能量的光。科學(xué)家可以通過(guò)這個(gè)“指紋”，來(lái)檢測(cè)識(shí)別原子的種類。例如，外太空的一個(gè)氫原子所吸收光的能量大小和地球上一個(gè)氫原子吸收的能量是完全相同的。
物理學(xué)家們已經(jīng)知道電磁場(chǎng)如何操縱原子的特征“指紋”，每種原子吸收的光的能量數(shù)值通常是一個(gè)常數(shù)。然而，來(lái)自芝加哥大學(xué)的研究者日前在Nature發(fā)表了他們的最新研究成果，挑戰(zhàn)了這個(gè)原子的本征特性。他們通過(guò)用激光來(lái)振蕩粒子的外層電子，創(chuàng)造出一種混合粒子，使得原子除了可以吸收其本征能量，還能吸收新的能量的光，具有部分原子屬性和光子屬性，有著大量的新行為。
這個(gè)研究屬于喬納森·西蒙副教授實(shí)驗(yàn)室一項(xiàng)大型研究項(xiàng)目的一部分。西蒙實(shí)驗(yàn)室試圖打破物質(zhì)和光之間的壁壘，來(lái)研究它們的基礎(chǔ)性質(zhì)。研究結(jié)果預(yù)期不僅在量子水平上研究學(xué)習(xí)材料的行為，還可以在未來(lái)幫助創(chuàng)造更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和建立幾乎“堅(jiān)不可摧”的量子通信。
該項(xiàng)研究試圖讓光具有物質(zhì)特性的一個(gè)步驟是，讓單個(gè)光束，即光子，像物質(zhì)一樣相互作用。通常光子以光速運(yùn)動(dòng)，并且不會(huì)發(fā)生相互作用。
領(lǐng)導(dǎo)該研究團(tuán)隊(duì)的博士后 Logan Clark 表示：“為了讓光子之間能相互碰撞，我們使用原子來(lái)做中介。但我們立馬就遇到一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楣庾又粫?huì)和那些電子軌道在特定能量的原子作用。所以我們猜想：我們可不可以給這些原子‘拷貝’一個(gè)我們想要的能量的電子軌道？”
Clark 在讀博期間，已經(jīng)研發(fā)出通過(guò)振蕩原子從而在量子水平操縱物質(zhì)的技術(shù)，被稱為“Floquet 工程”。通過(guò)該技術(shù)振蕩原子可以自然地讓原子產(chǎn)生多種不同能量的量子態(tài)副本。Clark 表示：“我們當(dāng)時(shí)的研究目標(biāo)并不是為了讓原子產(chǎn)生多種能量的量子態(tài)，這算是副產(chǎn)品。但正好在這次研究，我們可以專門通過(guò)振蕩電子來(lái)產(chǎn)生特定的能量的電子軌道。”
通過(guò)精準(zhǔn)改變激光場(chǎng)的強(qiáng)度，調(diào)整到能與原子電子軌道共振的頻率，該團(tuán)隊(duì)可以改變電子的軌道。周期性地改變激光場(chǎng)強(qiáng)度，可以產(chǎn)生目標(biāo)的電子軌道副本。
（來(lái)源：Petr Kratochvil）
但振蕩后的原子還有一個(gè)重要表現(xiàn)，該研究的合作者 Nathan Schine 解釋道：“盡管該原子有著不同能量的軌道副本，但需要注意的是，這些電子軌道的副本實(shí)際和原始軌道綁定，像‘木偶’一樣。當(dāng)這些軌道副本中任意一個(gè)發(fā)生改變，其原始軌道和其他軌道副本也會(huì)隨之改變。”
這樣一來(lái)，光子就可以和這些振蕩后的原子發(fā)生反應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了具有部分光特性和原子特性的準(zhǔn)粒子，他們稱為“Floquet 極化子”。不像常規(guī)的光子，準(zhǔn)粒子之間的相互作用十分強(qiáng)烈，而這種相互作用對(duì)讓光子具有物質(zhì)特性來(lái)說(shuō)是必要的。這種極化子可以靈活地移動(dòng)，而且可以通過(guò)新的方式相互碰撞。
Clark 表示：“Floquet 極化子充滿了驚喜，我們?nèi)栽诶^續(xù)研究，更好理解它們的行為。我們的下一個(gè)目標(biāo)，將會(huì)利用這些碰撞光子來(lái)產(chǎn)生光的拓?fù)洹黧w’，屆時(shí)會(huì)特別激動(dòng)人心。”
可以使原子擁有多個(gè)不同能量的電子軌道副本的技術(shù)，給光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的研究提供了許多令人興奮的可能性，因?yàn)楣鈱W(xué)頻率轉(zhuǎn)換是建立安全的量子通信方法的關(guān)鍵工具。
Clark 說(shuō)道：“現(xiàn)在看來(lái)振蕩物體不僅有趣，還是一門迷人的科學(xué)。”
-End-
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
