在超级光子上制造“印记”

发布时间:2024-09-09 16:13:11 阅读数: 305

在特定条件下,成千上万的光粒子可以合并成一种 “超级光子”。波恩大学的研究人员现在已经能够使用 “微小的纳米模具 ”来影响这种所谓的玻色-爱因斯坦凝聚体的设计。这使他们能够将光斑塑造成一个简单的晶格结构,该结构由以二次形式排列的四个光点组成。未来,这种结构有可能用于多个参与者之间的信息交换。这项研究成果现已发表在《Physical Review Letters》上。


当大量光粒子被冷却到非常低的温度并同时被限制在一个紧凑的空间内时,它们会突然变得无法区分,表现得就像一个单一的超级光子。物理学家称这种现象为玻色-爱因斯坦凝聚体,它通常像一个模糊的光斑。


波恩大学应用物理研究所(IAP)的 Andreas Redmann 说:“不过,我们现在已经成功地在凝结体上印上了一个简单的晶格结构。”

波恩大学应用物理研究所的研究人员通过在一个小容器中注入染料溶液来制造超级光子。容器的侧壁是反光的。如果用激光激发染料分子,它们就会产生在反射面之间来回反弹的光子。这些光子一开始相对较热。然而,当它们在反射面之间移动时,会反复与染料分子碰撞并冷却下来,直到最后凝结成超级光子。

由微结构和平面镜形成的染料填充光学微腔的实验方案

图 1:(a) 由微结构和平面镜形成的染料填充光学微的实验方案。(b) 光子在空腔中(上图)所经历的电势,以及结构化反射镜(下图)的诱导。(c) 𝑁/𝑁c增大时热化光子气体的光谱分布,以及考虑了测量模式密度和光谱仪分辨率的玻色-爱因斯坦理论光谱(虚线)。资料来源:Andreas Redmann, Christian Kurtscheid 等人,《Bose-Einstein Condensation of Photons in a Four-Site Quantum Ring》,《Physical Review Letters》(2024)。


Redmann 解释说:“反射表面通常是非常光滑的,我们决定特意在上面添加一些小凹痕,这样可以为光线聚集提供更多的空间。这就有效地在冷凝物上形成了一个结构--几乎就像你把一个一侧封闭的模具向下压到沙箱里一样:如果你再把它抬起来,你仍然可以看到模具在沙子上留下的印记。通过这种方法,我们成功地创造了冷凝物喜欢停留的四个区域。这就好比你要把一碗水分成4个以二次形式排列的杯子。”


然而,与水不同的是,超级光子并不一定会分裂成四个较小的部分。如果杯子的位置靠得足够近,使光粒子能够以量子力学的方式在它们之间来回传递,它就会保持为一个单一的凝聚体。例如,这种特性可以用来产生所谓的量子纠缠。如果一个杯子中的光线改变了状态,也会影响到其他杯子中的光线。光子之间的这种量子物理相关性是几个参与者之间进行信息交流(如讨论或秘密交易)的基本要求。

微腔中低于(左图)和高于(右图)玻色-爱因斯坦凝聚阈值的光子气体密度分布

图 2:(a) 微腔中低于(左图)和高于(右图)玻色-爱因斯坦凝聚阈值的光子气体密度分布。(b) 沿 (a) 中所示分布的纵轴积分得到的线密度,以及基于室温玻色-爱因斯坦分布(虚线)的拟合,拟合参数为𝑁=510(40) 和 𝑁=4200(200)。标准偏差以阴影显示。资料来源:Andreas Redmann, Christian Kurtscheid 等人,《Bose-Einstein Condensation of Photons in a Four-Site Quantum Ring》,《Physical Review Letters》(2024)。


Redmann 解释说:“通过刻意改变反射表面的形式,理论上可以制造出在 20、30 甚至更多晶格位点之间分裂的玻色-爱因斯坦凝聚体。这将使我们能够在众多讨论参与者之间进行防窃听交流。我们的研究首次展示了如何在特定应用中有意识地创建某些发射模式。这使得这种方法对许多不同的技术开发都极具吸引力。”


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