編譯/吳學(xué)平

冷凍光：找到新的可能

編譯/吳學(xué)平

光子與原子之間的模糊界線變得更加曖昧了。量子物理學(xué)家首次創(chuàng)造出處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的光子——這一物質(zhì)形態(tài)先前被懷疑只可能在原子上實(shí)現(xiàn)。新技術(shù)可以被用來提高太陽能電池與激光的效率。

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)的一種奇特的量子形態(tài)。德國(guó)波恩大學(xué)的量子物理學(xué)家馬丁·魏茨解釋說，這一理論是薩蒂延德拉·納特·玻色與阿爾伯特·愛因斯坦在上世紀(jì)20年代首先提出來的。這兩位科學(xué)家推斷說，假如某些原子被冷凍至接近絕對(duì)零度的溫度，那么原子的量子特性就會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。這樣的話，所有原子都會(huì)收縮，轉(zhuǎn)化成同樣的量子態(tài)，于是都“步調(diào)一致”，集體行動(dòng)，就好像是某種超級(jí)原子似的。

1995年，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組各自獨(dú)立使用銣原子和鈉原子首次制造出玻色-愛因斯坦凝聚體。從理論上講，物理學(xué)家知道應(yīng)該同樣有可能利用光子來制造玻色-愛因斯坦凝聚體。但這在現(xiàn)實(shí)中似乎不太可能，因?yàn)榕c原子不同的是，光子在實(shí)驗(yàn)中無法保存。魏茨說，這就意味著當(dāng)你想要冷凍光子時(shí)，它們就在實(shí)驗(yàn)中消失了，因?yàn)楸恢車鷮?shí)驗(yàn)裝置中的原子吸收了。他解釋說：“如果你想要冷卻一個(gè)燈泡，它就會(huì)熄滅——光就這么消失了。”

現(xiàn)在，魏茨與同事找到一種方法，可以延長(zhǎng)光在實(shí)驗(yàn)中的逗留時(shí)間，于是科學(xué)家就有足夠的時(shí)間制造出光子的玻色-愛因斯坦凝聚體。這一技術(shù)的細(xì)節(jié)刊登在2011年1月24日的英國(guó)《自然》雜志上。

為防止通常沒有質(zhì)量的光子發(fā)生逃逸，實(shí)驗(yàn)小組將光子鎖團(tuán)在兩塊曲面鏡之間的空穴中。鏡子限定了光子的移動(dòng)與振動(dòng)方式，迫使光子群像原子那樣活動(dòng)，總質(zhì)量相當(dāng)于一個(gè)銣原子的一百億分之一。

實(shí)驗(yàn)小組之所以知道這些光子是何時(shí)變成玻色-愛因斯坦凝聚體的，是因?yàn)樘幱诓Ｉ?愛因斯坦凝聚態(tài)的那部分光子會(huì)在空穴中央形成一束明亮的黃光——如同一束激光。黃光周圍則彌散著普通光子。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)た颂乩招稳葸@一成果是“物理學(xué)上的精彩一頁”，消除了原子與光子的又一個(gè)區(qū)別?？颂乩疹I(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)體是首批利用原子制造出玻色-愛因斯坦凝體的實(shí)驗(yàn)小組之一，他因此與他人分享了2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

新技術(shù)也許有朝一日可實(shí)際用于收集和聚焦日光。雖然普通透鏡可以在晴天聚焦太陽能電池內(nèi)的陽光，但玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于同樣可以收集陰天里各個(gè)方向的散射光。

克特勒表示，光子的玻色-愛因斯坦凝聚體還提供了生成激光束的新方法。他說：“現(xiàn)在討論可能的應(yīng)用方法具有多強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力還為時(shí)尚早，不過我們應(yīng)該探索那些可能性?！?/p>