中科院物理所
2018-01-26 11:57:52
转自公众号：Nature 自然科研
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原文以 Photons pair up like superconducting electrons 为标题发布在2017年10月20日的《自然》新闻上
原文作者：Elizabeth Gibney
一项发现令人不禁想知道光的“超级流”会是怎样的。超导性（电子可以零电阻地通过特定材料的现象）已经使医学和出行等在某些方面发生了革命性的变化。现在，一个有趣的实验展示了与超导背后原理同样的行为 — 但是是在光的粒子中。这一发现让物理学家们不禁思考二者之间有多大的可比性。光在水中行进时，光子会相互配对，就如同超导体中的电子一样。
美国罗彻斯特大学的量子物理学家 Nick Vamivakas 虽然没有参与研究，但是他说：“真是令人激动，光散射、凝聚态物理和量子光学之间产生了一个美丽的连接。”传统的超导性依赖于电子“Cooper 对”的形成，它们稳定了彼此的路径并允许电流不受阻地流动。它的发现催生了强大的超导磁体的发展，现在超导磁体已被广泛应用于医学扫描仪、粒子加速器、风力涡轮机和磁悬浮列车。
巴西的物理学家已经发现了光子类似配对的证据。在室温下，当光线通过包括水在内的一系列透明液体时会发生该过程，不过观察起来有很大的难度。里约热内卢联邦大学（UFRJ）的理论物理学家 André Saraiva 说：“这种配对不仅是可能的，而且是无处不在的。”他作为共同作者撰写的一篇论文已经被《物理评论快报》接受发表。
该团队仍在探索上述过程与超导性有多大的可比性。由于光子与环境的相互作用比电子要少，所以类似的光子对不太可能产生像电子在电流中那样显著的效果。但是这项研究已经引发了人们的种种推测：光子的“超级流”有何特性，可能带来哪些应用。这一发现源于巴西米纳斯吉拉斯联邦大学（UFMG）Ado Jorio 领导的研究 —— 光如何在材料内部散射。发生散射时，光子损失能量，传递给材料中振动的原子。
如果第二个光子立即吸收了这部分振动能量，那么这两个光子会间接地相连，一个光子将获得另一个光子失去的能量。Jorio 在 UFRJ 凝聚态系描述自己的研究时，激发了物理学家 Belita Koiller 的一个想法。她注意到这个过程（一个光子引起的振动影响另一个光子）和超导中的 Cooper 对的形成存在相似性。在 Cooper 对的形成过程中，高速电子引起原子晶格畸变，允许一个电子吸引另一个电子。
在这两种情况下，配对都是粒子周围原子运动的结果。然而在超导体中，这种振动是量子力学所允许的瞬时类型，被称为虚拟声子。Koiller 和她的团队想知道：这是否也适用于光？巴西的物理学家使用滤波器来仅仅捕获由被称为虚拟声子的量子振动所产生的光子对。
首先，UFRJ 小组从数学上表明，如果光子也通过虚拟声子相互作用，它们的行为将与超导体中的 Cooper 对完全匹配。然后 UFMG 的研究人员通过在室温下向水和其他七种透明液体照射激光脉冲来寻找证据。他们使用探测器来检查出现的光子，寻找同时到达的光子对，其中一个光子已经红移（失去能量），另一个蓝移（获得能量）。
如果到达的光子对是由虚拟声子产生的，而不是由于标准的散射过程，那么光子的能量转移应该太小而不可能从经典允许的振动中获得，所以团队使用一个滤波器来仅仅让这个范围的能量转换通过。他们将看到的结果同两种能量转换都被允许的情况进行了比较。
在这两种情况下，他们看到光子对的速率相同，这表明这些光子对必然由虚拟过程产生。信号很小：每秒钟约 1 万万亿个光子通过物质泵浦，他们看到了 10 对，而他们预计可能会看到每 10 秒钟一对。
英国剑桥大学的物理学家 Andrea Ferrari 认为这是一个有趣的发现，不过他警告说这个解释需要其他小组的验证。“我要说这不是结束，而一定是开始。”
Saraiva 表示，存在类似 Cooper 对的光子对的可能性已经引起了量子光学和凝聚态物理学家的注意，这主要是因为他们想要了解与超导的类比能够延伸多远。就事论事而言，Cooper 对是各种各样有趣的效应的背后原因 — 但到目前为止，该组还没有数据提示这是否同样适用于光。
Saraiva 说：“这些都是我们热切想要回答的重要问题。”如果团队可以提高光子对的数量，那么也可能带来一些应用。利用配对的光子与物质相互作用的方式，有可能揭示出物质当前无法看到的特性。而且如果这些粒子可以被证明是超越时间而相互关联的，即它们的量子特性是内在相联的，则室温水可以是一个非常廉价的“纠缠”光子来源。纠缠光子对于量子密码学和量子计算至关重要。
物理学家们也不禁要问，这些光子对是否会形成类似超电流那样的超级流：如果可以，则光在材料中传播时可能会分散得更少，这样举例来说可以带来更高效的量子通信。配对的光子甚至可能使材料更透明吗？Saraiva 说在现阶段，我们还不知道答案。
就目前而言，这一切都是纯粹的猜测。但是，Vamivakas 说将凝聚态物理学的概念映射到光学研究上，一般都可以产生有用的技术。例如，用来调控光子如何流过材料的光子晶体，是从晶格如何影响物质中的电子的见解中产生的。
Vamivakas 说，当他第一次听到这项最新研究时，他对学生说：“嘿，我们怎么没想到这个？”如果不是因为所涉实验设备非常简单，这个发现可能根本不会发生。自 2013 年以来，巴西的科研经费已经减少了 60％，许多实验室无法维持设备运转。
Saraiva 说：“我们很幸运，不用借助任何特殊设备就发现了一个如此重要的现象，但我们不能指望每次都有这样的运气。”
Nature|doi:10.1038/nature.2017.22868
来源：Nature 自然科研
编辑：雾里熊
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