宇宙中每一種原子都有一個獨特的特征：原子只吸收或發(fā)射與電子軌道相匹配特定能量的光。這種指紋使科學(xué)家能夠在任何發(fā)現(xiàn)原子的地方對其進(jìn)行識別，外層空間氫原子吸收的能量與地球上的氫原子相同。雖然物理學(xué)家已經(jīng)了解了電場和磁場是如何操縱指紋的，但組成指紋的特征數(shù)量通常保持不變。在發(fā)表在《自然》上的一項研究中，芝加哥大學(xué)研究人員挑戰(zhàn)了這一范式。
他們用激光震動電子，在新能源中創(chuàng)造了“二重身”的特征——這是一項突破。讓科學(xué)家創(chuàng)造出具有多種新行為的混合粒子，這些粒子一半是原子，一半是光。這項研究是Assoc更大努力的一部分，喬納森·西蒙教授的實驗室試圖打破物質(zhì)和光之間的墻，以研究它們的基本性質(zhì)。除了了解材料在量子層面上的行為，這項研究有朝一日還可能幫助創(chuàng)造出更強大的計算機，或幾乎“不可破解”的量子通信。
從光中制造物質(zhì)的過程中，有一個步驟是制造單個的光包，稱為光子，像物質(zhì)一樣相互作用(正常情況下，光子以光速飛馳，彼此之間根本沒有反應(yīng))。領(lǐng)導(dǎo)這項研究的博士后研究員洛根·克拉克說：為了讓光子相互碰撞，使用原子作為“中間人”。但遇到了一個問題，因為光子只與電子軌道能量非常特殊的原子相互作用，所以，如果能以想要的能量復(fù)制軌道呢？克拉克已經(jīng)開發(fā)了通過搖動量子物質(zhì)來操縱量子物質(zhì)的技術(shù)——稱為弗洛凱工程。
正確震動方式自然會產(chǎn)生具有多種能量的量子態(tài)。研究人員一直把復(fù)制看作是一種副作用，而不是目標(biāo)，但這一次，搖動電子的目的是制造復(fù)制物。通過改變精確調(diào)諧到原子共振的激光場強度，研究小組能夠改變電子的軌道，通過周期性地改變這個強度來振動軌道，就產(chǎn)生了想要的副本。該研究的合著者、博士后研究員內(nèi)森·辛尼(Nathan Schine)說：但這些二重身也帶來了一個重要的問題：雖然原子軌道確實以多種不同的能量出現(xiàn)。
但重要的是要注意，這些復(fù)制品實際上像木偶一樣與原件綁定在一起，當(dāng)任何一份副本移動時，原件和所有其他副本也隨之移動。通過讓光子與這些振動的原子相互作用，研究小組創(chuàng)造了所謂的“弗洛凱極化子”——一種半輕半原子的準(zhǔn)粒子，與普通光子不同，它們之間的相互作用非常強烈。這些相互作用對于從光中產(chǎn)生物質(zhì)是至關(guān)重要的，用振動的原子制造極化子可以使極化子有更大的靈活性來移動和以新的方式相互碰撞。
Floquet polaritons充滿了驚喜，研究人員仍然在繼續(xù)更好地了解他們。不過，下一個任務(wù)是利用這些相互碰撞的光子制造光拓?fù)洹黧w’，這是一個非常激動人心的時刻。在多種能量下復(fù)制原子狀態(tài)也為光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換提供了令人興奮的可能性——這是創(chuàng)建安全量子通信方法的關(guān)鍵工具。事實證明，搖晃物體不僅很有趣，還能帶來一些非常有趣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
博科園｜研究/來自：芝加哥大學(xué)
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1354-5
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