把光变成分子?或许行得通!

作者: 查德·布廷

来源: 环球科学

发布日期: 2015-09-15

美国国家标准与技术研究院(NIST)的理论物理学家及其团队发现,无质量的光子可以通过特殊的力相互吸引形成某种“分子”。这一发现不仅在理论上证明了光子可以形成类似分子的结构,还为未来的技术进步提供了可能性,如改进通信技术和高清成像,以及可能的光子计算机技术。

这是艺术家绘制的该实验的概念图。研究者表明,两个间隔很短、被固定在一起的光子(图中用两侧的波动表示),在特定条件下可以形成类似双原子分子的状态,由图中央的蓝色哑铃状物体表示。如果说《星球大战》中挥舞的“光剑”已经出现在现实世界中,你大概不信,但是来自美国国家标准与技术研究院(NIST)的理论物理学家在及其团队已经开始着手用光子构建物体,并且发现无质量的光子可以通过特殊的力相互吸引形成某种“分子”。

该团队中的几位成员在加入NIST之前就在研究这一课题了。2013年,来自哈佛大学、加州理工大学和麻省理工学院的合作者们发现了一种方法,可以将两个光子“肩并肩”束缚在一起,共同运动。

现在,在一篇即将发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)的论文上,由NIST和马里兰大学组成的团队(以及其他合作者)从理论上证明,只要调整束缚过程中的几个参数,光子就能以特定的间隔并排运动,这种排列与氢分子中两个氢原子类似。这项新发现看起来是在正确方向上迈进了一步:如果我们可以用光制造一个分子,为什么不能制造一把剑呢?

但Gorshkov说,他并不认为科学家很快就能制造出“光剑”。主要原因在于束缚光子需要极端的条件,甚至用一整间实验室的设备都很难实现,更不用说在光剑的手柄里了。然而,制造光分子还有很多其他理由——或许没有光剑那么炫酷,但也很有用。“从通信技术到高清成像,许多现代技术都是基于光的,”Gorshkov说,“如果我们能够控制光子间的相互作用,这些技术将会大幅度进步。

”例如,工程师需要精确校准光传感器,而这项发现可以更加容易地制造一个“标准烛光”,能够向探测器发射精确数量的光子。或许对工业上更重要的意义在于,光子的束缚和纠缠可以让计算机用光子代替电子开关来作为信息处理器。这不仅会为计算机制造技术提供新的基础,还会节省大量的能源。目前,手机短信和其它数据都是通过光纤中的光束传输的,这些数据必须被转换成电子信息才能处理——这个毫无效率的步骤浪费了大量电力。

如果数据的传输和处理都可以直接由光子完成,这些能源浪费就可以大大减少。Gorshkov说,为了这些以及其他潜在的利益,极有必要对这一新理论进行实际检验。“这种研究光子的新方法确实很酷,”他说,“光子没有质量,以光速飞行,把它们减速并束缚起来可能会让我们了解到其它以前不知道的秘密。

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