冷凍光：找到新的可能

編譯/吳學平

冷凍光：找到新的可能

編譯/吳學平

光子與原子之間的模糊界線變得更加曖昧了。量子物理學家首次創造出處于玻色-愛因斯坦凝聚態的光子——這一物質形態先前被懷疑只可能在原子上實現。新技術可以被用來提高太陽能電池與激光的效率。

玻色-愛因斯坦凝聚態是物質的一種奇特的量子形態。德國波恩大學的量子物理學家馬丁·魏茨解釋說，這一理論是薩蒂延德拉·納特·玻色與阿爾伯特·愛因斯坦在上世紀20年代首先提出來的。這兩位科學家推斷說，假如某些原子被冷凍至接近絕對零度的溫度，那么原子的量子特性就會占據主導地位。這樣的話，所有原子都會收縮，轉化成同樣的量子態，于是都“步調一致”，集體行動，就好像是某種超級原子似的。

1995年，兩個實驗小組各自獨立使用銣原子和鈉原子首次制造出玻色-愛因斯坦凝聚體。從理論上講，物理學家知道應該同樣有可能利用光子來制造玻色-愛因斯坦凝聚體。但這在現實中似乎不太可能，因為與原子不同的是，光子在實驗中無法保存。魏茨說，這就意味著當你想要冷凍光子時，它們就在實驗中消失了，因為被周圍實驗裝置中的原子吸收了。他解釋說：“如果你想要冷卻一個燈泡，它就會熄滅——光就這么消失了。”

現在，魏茨與同事找到一種方法，可以延長光在實驗中的逗留時間，于是科學家就有足夠的時間制造出光子的玻色-愛因斯坦凝聚體。這一技術的細節刊登在2011年1月24日的英國《自然》雜志上。

為防止通常沒有質量的光子發生逃逸，實驗小組將光子鎖團在兩塊曲面鏡之間的空穴中。鏡子限定了光子的移動與振動方式，迫使光子群像原子那樣活動，總質量相當于一個銣原子的一百億分之一。

實驗小組之所以知道這些光子是何時變成玻色-愛因斯坦凝聚體的，是因為處于玻色-愛因斯坦凝聚態的那部分光子會在空穴中央形成一束明亮的黃光——如同一束激光。黃光周圍則彌散著普通光子。

美國麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒形容這一成果是“物理學上的精彩一頁”，消除了原子與光子的又一個區別。克特勒領導的研究團體是首批利用原子制造出玻色-愛因斯坦凝體的實驗小組之一，他因此與他人分享了2001年諾貝爾物理學獎。

新技術也許有朝一日可實際用于收集和聚焦日光。雖然普通透鏡可以在晴天聚焦太陽能電池內的陽光，但玻色-愛因斯坦凝聚態技術的優勢在于同樣可以收集陰天里各個方向的散射光。

克特勒表示，光子的玻色-愛因斯坦凝聚體還提供了生成激光束的新方法。他說：“現在討論可能的應用方法具有多強的競爭力還為時尚早，不過我們應該探索那些可能性。”