物理學(xué)家在新的維度上揭示了光的量子性質(zhì)

倫敦帝國學(xué)院的物理學(xué)家重現(xiàn)了著名的雙縫實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)表明光在時(shí)間而不是空間中表現(xiàn)為粒子和波。

該實(shí)驗(yàn)依靠的是能夠在幾分之一秒內(nèi)改變其光學(xué)特性的材料，這些材料可用于新技術(shù)或探索物理學(xué)的基本問題。

最初的雙縫實(shí)驗(yàn)是由托馬斯-楊于1801年在英國皇家學(xué)會進(jìn)行的，表明光作為一種波的作用。然而，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，光實(shí)際上既表現(xiàn)為波又表現(xiàn)為粒子，揭示了其量子性質(zhì)。 這些實(shí)驗(yàn)對量子物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，不僅揭示了光的雙重粒子和波的性質(zhì)，還揭示了其他"粒子"，包括電子、中子和整個(gè)原子。 現(xiàn)在，由倫敦帝國學(xué)院物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用時(shí)間而非空間的"狹縫"進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們通過向一種在飛秒（四億分之一秒）內(nèi)改變其屬性的材料發(fā)射光來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，只允許光在特定時(shí)間內(nèi)快速通過。

來自帝國理工學(xué)院物理系的首席研究員里卡多-薩皮恩扎教授說："我們的實(shí)驗(yàn)揭示了更多關(guān)于光的基本性質(zhì)，同時(shí)作為創(chuàng)造能夠在空間和時(shí)間上細(xì)微控制光的終極材料的墊腳石。"

該實(shí)驗(yàn)的詳情發(fā)表在4月3的《自然-物理》雜志上。 最初的雙縫設(shè)置涉及將光照向一個(gè)不透明的屏幕，屏幕上有兩條平行的細(xì)縫。屏幕后面是一個(gè)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(gè)波，分別通過每個(gè)狹縫。當(dāng)這些波在另一側(cè)再次交叉時(shí)，它們會相互"干擾"。在波峰相遇的地方，它們會相互增強(qiáng)，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(qū)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?fù)糁刑綔y器，逐漸建立起條紋狀的干涉圖案。即使研究人員一次只發(fā)射一個(gè)光子，干擾圖案仍然出現(xiàn)，就像光子一分為二并穿過兩個(gè)狹縫一樣。

在該實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典版本中，從物理狹縫中出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)中的時(shí)間狹縫改變了光的頻率，從而改變了其顏色。這創(chuàng)造了相互干擾的光的顏色，增強(qiáng)和抵消了某些顏色，產(chǎn)生了一個(gè)干涉型圖案。

該團(tuán)隊(duì)使用的材料是一層氧化銦錫薄膜，它是構(gòu)成大多數(shù)手機(jī)屏幕的基礎(chǔ)材料。該材料的反射率被激光器以超快的時(shí)間尺度改變，為光創(chuàng)造了"縫隙"。該材料對激光控制的反應(yīng)比研究小組預(yù)期的要快得多，在幾飛秒內(nèi)改變其反射率。

這種材料是一種超材料，它被設(shè)計(jì)成具有自然界中沒有的特性，這種對光的精細(xì)控制是形成超材料的基礎(chǔ)條件之一，當(dāng)與空間控制相結(jié)合時(shí)，可以創(chuàng)造出新的技術(shù)，甚至是用于研究黑洞等基本物理現(xiàn)象的類似物。 共同作者John Pendry爵士教授說："雙倍時(shí)間狹縫實(shí)驗(yàn)為一種全新的光譜學(xué)打開了大門，它能夠在輻射的一個(gè)周期范圍內(nèi)解決光脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)。" 接下來，該團(tuán)隊(duì)希望在"時(shí)間晶體"中探索這一現(xiàn)象，它類似于原子晶體，但其光學(xué)特性隨時(shí)間變化。 共同作者Stefan Maier教授說："時(shí)間晶體的概念有可能導(dǎo)致超快的、平行的光學(xué)開關(guān)"。

審核編輯 ：李倩