物理學家首次觀察到光與物質相互作用

圖片說明：德國波恩大學應用物理研究所（Institute of Applied Physics of the University Bonn）的René Reimann博士、Tobias Macha博士和Dieter Meschede教授在實驗室裡。圖片來源：Copyright Volker Lannert/Uni Bonn

 

如果兩個小孩在海邊戲水，那麼由於構造上的疊加，就會出現高水波。波恩大學一項研究微觀世界的實驗中，研究者觀察到不同的實驗現象，物理學家使用激光束通過兩個銫原子生成光波。光波經兩個平行鏡反射。結果證明此實驗布置阻止了高光波的出現。這一研究結果於2015年1月14日發表在Physical Review Letters上，科學家們用兩個原子觀察到了光與物質相互作用的最基本場景。

 

波恩大學的物理學家們將兩個浮起的銫原子置於光籠中以得到光子。激光束不斷地照射兩個原子，而它們使得激光發生分散，如同陽光中漂浮的塵埃一樣。分散的光波層層疊加並通過兩個平行鏡反射到原子上。

 

波恩大學應用物理研究所Dieter Meschede教授的同事、文章第一作者René Reimann說道：「我們希望光籠裡的兩個原子與一個單獨的原子表現完全不同。這樣才與我們日常生活的經歷相符：兩個海邊戲水的孩子產生的水波與一個孩子潑水產生的水波不同。但是，將光籠裡由兩個原子產生的光波與海邊小孩戲水做類比並不完全成立。此處，並沒有觀察到高光波。

 

反作用抑制了高光波

 

光籠裡兩個原子產生的驚奇景象可用小孩在游泳池戲水而非海邊戲水來說明。小孩戲水產生的水波部分是由池邊反射而來。反射的水波和向前的流動波相互抵消。「由於這種返回作用，兩個小孩可比一個單獨的小孩在最好的情況下產生的水波高。」通過改變孩子們之間的距離，泳池中的孩子們可以改變水波的高度。

 

了解這一點就可以明白試驗中兩個銫原子的情形：即使在最好的情況下，兩個原子的光波不斷地干擾，與只有一個原子的情況相比，還是能勉強地看到較多的幾個光子。Dieter Meschede說道：「顯然，鏡子起到的強反射作用阻止了高光波的出現。」

 

光與物質相互作用的新啟示

 

然而光籠中懸浮銫原子位置的微小變動都可由疊加光波高度的明顯變化探測出。René Reimann說：「目前這還是不可能的。但這為兩原子體系的光和原子相互作用提供了新的研究啟示和試驗可能性。」這些新的可能性為一些前沿技術，比如通信和計算中的量子記憶和量子網絡，提供了支持。

 

目前，國際科學家小組觀察了光籠中一個或多個原子與光子的相互作用。由於在此研究中的重要貢獻，Serge Haroche在2012年被授予了諾貝爾物理學獎。如今，波恩大學的物理學家們實現了在一個光籠中觀察兩個原子的相互作用。Dieter Meschede表示：「通過這項實驗，實現了多重光與物質的相互作用。」

 

波恩大學「量子技術」研究小組在試驗中研究了原子與光之間受控的相互作用。小組目前正在關注特殊量子力學狀態的生成。