Scientists combine light and matter to make particles with new behaviors

宇宙中的每一种原子都有一个独特的特征:它只吸收或发射与电子轨道相匹配的特定能量的光。这种指纹使科学家能够在任何发现原子的地方对其进行识别。外层空间的氢原子吸收的能量与地球上的氢原子相同。

虽然物理学家已经了解了电场和磁场是如何操纵指纹的,但组成指纹的特征的数量通常保持不变。在7月3日发表在《自然》杂志上的一项研究中,芝加哥大学的研究人员挑战了这一范式,他们用激光震动电子,在新能源中创造了“二重身”的特征——这是一项突破,让科学家创造出具有多种新行为的混合粒子,这些粒子一半是原子,一半是光。

这项研究是Assoc更大努力的一部分。乔纳森·西蒙教授的实验室试图打破物质和光之间的墙,以研究它们的基本性质。除了了解材料在量子层面上的行为,这项工作有朝一日还可能帮助创造出更强大的计算机,或几乎“不可破解”的量子通信。

从光中制造物质的过程中,有一个步骤是制造单个的光包,称为光子,像物质一样相互作用。(正常情况下,光子以光速飞驰,彼此之间根本没有反应。)

“为了让光子相互碰撞,我们使用原子作为中间人,”领导这项研究的博士后研究员洛根·克拉克说。“但我们遇到了一个问题,因为光子只与电子轨道能量非常特殊的原子相互作用。所以我们问:如果我们能以我们想要的能量复制轨道呢?”

作为他博士项目的一部分,克拉克已经开发了通过摇动量子物质来操纵量子物质的技术——称为弗洛凯工程。正确的震动方式自然会产生具有多种能量的量子态。“我们一直把复制看作是一种副作用,而不是目标,”他说,“但这一次,我们摇动电子的目的是制造复制物。”


通过改变精确调谐到原子共振的激光场的强度,研究小组能够改变电子的轨道。通过周期性地改变这个强度来振动轨道,就产生了想要的副本。

但这些二重身也带来了一个重要的问题:“虽然原子轨道确实以多种不同的能量出现,但重要的是要注意,这些复制品实际上像木偶一样与原件绑定在一起,”该研究的合著者、博士后研究员内森·辛尼(Nathan Schine)解释说。“当任何一份副本移动时,原件和所有其他副本也随之移动。”

通过让光子与这些振动的原子相互作用,研究小组创造了他们所谓的“弗洛凯极化子”——一种半轻半原子的准粒子,与普通光子不同,它们之间的相互作用非常强烈。这些相互作用对于从光中产生物质是至关重要的。用振动的原子制造极化子可以使极化子有更大的灵活性来移动和以新的方式相互碰撞。

“Floquet polaritons充满了惊喜;我们仍然在继续更好地了解他们,”克拉克说。“不过,我们的下一个任务是利用这些相互碰撞的光子制造光的拓扑‘流体’。这是一个非常激动人心的时刻。”

在多种能量下复制原子状态也为光学频率转换提供了令人兴奋的可能性——这是创建安全量子通信方法的关键工具。

克拉克说:“事实证明,摇晃物体不仅很有趣,还能带来一些非常有趣的科学发现。”

引文:“相互作用的Floquet极化子。克拉克等人,《自然》杂志,2019年7月3日。DOI: 10.1038 / s41586 – 019 – 1354 – 5

资助:美国能源部、空军科研办公室、海军研究办公室、芝加哥大学、国家科学基金会。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/scientists-combine-light-and-matter-make-particles-new-behaviors

http://petbyus.com/7988/