物理學家在新的維度上揭示了光的量子性質(zhì)

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

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

最初的雙縫實驗是由托馬斯-楊于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(xiàn)為波又表現(xiàn)為粒子，揭示了其量子性質(zhì)。 這些實驗對量子物理學產(chǎn)生了深遠的影響，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、中子和整個原子。 現(xiàn)在，由倫敦帝國學院物理學家領(lǐng)導的團隊已經(jīng)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(nèi)改變其屬性的材料發(fā)射光來實現(xiàn)這一目標，只允許光在特定時間內(nèi)快速通過。

來自帝國理工學院物理系的首席研究員里卡多-薩皮恩扎教授說："我們的實驗揭示了更多關(guān)于光的基本性質(zhì)，同時作為創(chuàng)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不透明的屏幕，屏幕上有兩條平行的細縫。屏幕后面是一個檢測器，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(cè)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(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(fā)射一個光子，干擾圖案仍然出現(xiàn)，就像光子一分為二并穿過兩個狹縫一樣。

在該實驗的經(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，新實驗中的時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，增強和抵消了某些顏色，產(chǎn)生了一個干涉型圖案。

該團隊使用的材料是一層氧化銦錫薄膜，它是構(gòu)成大多數(shù)手機屏幕的基礎(chǔ)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(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(chǔ)條件之一，當與空間控制相結(jié)合時，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周期范圍內(nèi)解決光脈沖的時間結(jié)構(gòu)。" 接下來，該團隊希望在"時間晶體"中探索這一現(xiàn)象，它類似于原子晶體，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(guān)"。

審核編輯 ：李倩