2010-11-29

德國物理學家創造出「超級光子」

German physicists create a 'super-photon'
http://www.physorg.com/news/2010-11-german-physicists-super-photon.html

November 24, 2010

來自 Bonn(波昂)大學的物理學家開發出一種全新的光源,一種由光子所組成的玻色--愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,BEC)。一直到最近,專家都認為這件事不可能成真。這種方法也許適合用來設計新奇的光源,類似雷射,但作用在 X 光的範圍內。除了其他應用之外,也許允許打造更強大的電腦晶片。科學家將他們的發現報告在即將發刊的當期 Nature 期刊上。

將銣(Rubidium)原子強加冷卻,並在一密實的空間內濃縮足夠數量,它們突然間變得難以分辨。它們表現出如同單個巨大「超級粒子」的樣子。物理學家稱此為玻色--愛因斯坦凝聚。

對於「光粒子」或光子來說,這應當有用。不幸的是,這個想法面臨一個根本問題。當光子被「冷卻」,它們會消失。直到數個月前,將光同時冷卻與濃縮看起來似乎是不可能的任務。然而 Bonn 大學的物理學家 Jan Klars、 Julian Schmitt、Dr. Frank Vewinger,以及 Professor Dr. Martin Weitz 卻成功地辦到這件事 -- 一件造成小轟動的事。


光有多暖?

當燈泡裡的鎢絲被加熱時,它開始發光 -- 首先是紅色,接著黃色,最後是帶點藍色。因此,光的每一種顏色都可被指派一種「形成溫度(formation temperature)」。例如,藍光比紅光更溫暖,但鎢發光不同於鐵。這也是為何物理學家根據理論上的模型物體 -- 所謂的黑體 -- 來校正色溫的緣故。如果這個黑體被加熱到 5,500 度,它的顏色應當與正午的日光相同。換言之:正午的陽光具有攝氏 5,500 度的溫度,或接近 5,800 Kelvin(凱氏溫標並沒有任何負值,它始於絕對零度,即攝氏 -273 度,因此凱室溫標總比相對映的攝氏溫標多 273 度)。

當一黑體被冷卻後,其所發出的輻射將不在可見光的範圍內;相反的,它只會發出不可見的紅外光光子。同一時間,其輻射強度也將減少。當溫度下降時,光子的數量會變少。這就是為何獲得大量冷光子會如此困難的緣故,而要讓玻色--愛因斯坦凝聚出現,得要冷光子。

但是 Bonn 大學的研究者,藉由二面高反射性鏡子獲致成功。光束持續在二面鏡子間來回反射。在二反射表面間是已溶解的色素分子,透過這些分子,光子會週期性地碰撞。在這些碰撞中,這些分子「吞下(swallowed)」光子,接著再度將它們「吐出(spit)」。"在此過程中,光子會承擔(assumed)液體的溫度," Weitz 教授解釋。"它們以這種方式使彼此冷卻,低於室溫,而在此過程中,它們在沒有損失的狀況下辦到這件事。"


光製成的「濃縮物」

Bonn 物理學家接著利用雷射刺激色素溶液,藉此增加二鏡之間的光子品質。這讓他們能如此強烈地濃縮冷掉的光粒子,以至於它們變成一個「超級光子」。

這種光的玻色--愛因斯坦凝聚是種全新的光源,其特性類似雷射。但相較於雷射,它們具有決定性的優勢。"我們現在無法製造出能產生波長很短的光 -- 例如在紫外線或 X 光的範圍內 -- 的雷射," Jan Klars 解釋。"然而,利用光的玻色--愛因斯坦凝聚,這應該有可能。"

這種前景首先應能讓晶片設計者感到高興。他們使用雷射光將邏輯電路蝕刻到半導體材料中。這些結構能有多細微,除了其他因素之外,還會受到光波長的限制。長波長雷射比短波長更不適合精密的工作 -- 那好像你拿油漆刷來寫個字一樣。

X 光輻射比可見光短許多。原則上,X 光雷射應能允許在相同的矽表面上施加更複雜的電路。這應能創造出全新的高效能晶片 -- 以及必然的,更強大的電腦給使用者。此過程對於其他應用,例如光譜術或太陽能電池,或許也相當有。

※ 相關報導:

* Bose–Einstein condensation of photons in an optical microcavity
http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7323/abs/nature09567.html
Jan Klaers, Julian Schmitt, Frank Vewinger, Martin Weitz
Nature 468, 545-548 (24 November 2010)
doi: 10.1038/nature09567 Letter
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