每秒7米,破最慢光速记录
减慢光速又破了记录,大约1000米长的光被压缩到0.02毫米,并且保存时间长达1.5秒,对应的光速为每秒6~7米. 对 于介质中的光速,我们一般考虑群速度,大致可以理解成波峰传播的速度,群速度在不同介质中速度不一样,如果介质的折射率大,那么群速度会变小.此外,因 为一个光脉冲由许多个不同频率的光波叠加而成,而同一介质对于不同频率的光折射率各不相同,通过计算可以知道介质对频率越敏感(频率有一小变化,折射率差 别会很大),光速越慢.
这次实验中采用的介质有EIT效应,EIT通常翻译成电磁诱导透明效应,有此效应的介质不会吸收某特定频率的光,也就是说介质对这 频率的光透明,可见,EIT介质折射率对频率的变化非常剧烈,是降低光速的理想材料.1991年斯坦福大学的Stephen Harris第一次观测到原子气体中的EIT效应,1995年,他获得了百分之一的光速.之后1999年,哈佛大学的Lene Hau小组的实验在极低温度下进行,原子气体实现玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),他们测到的光速为正常的三千万分之一.
最近,Hau小组使用BEC相的钠原子来进行实验,选择钠原子是因为它有3个特殊的能级,我们分别用|1>,|2>,|3>来表示, 处于BEC相的钠原子初始都凝聚在|1>能级上,如果给予|1>能级原子能量(发射激光,原子吸收光子),就会从|1>跳 到|3>,当然|3>会通过自发发射光子降到|1>.对于|2>和|3>之间的跃迁也是同样的原理.在特定情况下(下述同 时发射两束激光时)原子会处于|1>和|2>的叠加态.
实验开始时BEC原子都处于|1>能级,这时对着这些原子加上耦合激光,此激光的光子能量等于|2>和|3>之间的能量差.接着对着 BEC原子发射我们要储存的光,习惯称此光为探测激光.如果没有耦合激光的话,原子会吸收探测激光到|3>能级(探测激光光子能量等于|1> 和|3>之间的能量差),但因为耦合激光的存在,问题出来了,两者都想往|3>跳,这时候会发生量子干涉,干涉结果是出现了很大的折射率,导 致探测激光被减速压缩,这时原子处于|1>和|2>的叠加态,探测光的作用就像是给原子们刻上了个印记,印记内容是包含了探测光时间空间信息 的振幅和相位(叠加态在|2>态的投影).对处于BEC相的原子云来说,毫秒级的探测光是可以被完全记录的.接着移除耦合光,探测光和叠加态也同时 消失,部分原子处于|2>,这些原子有探测光的信息,最后再加上耦合光,|2>的原子吸收耦合光光子跑到|3>能级,|3>能级 又会自发放出光子跳回|1>,这些自发放出的光子是和探测光相同的.
这次实验的有个难点是防止带有印记(探测光信息)的原子和BEC原子发生相互作用,以免印记保存的时间过短,为了达到这目的,实验中加上了磁场,把两者分隔开来,就像是油浮在水面上.
实验中探测光先是被记录下来,再重生般的发射出来,虽说两者直观上不是同一束光,但是光的量子信息一点都没改变,实验把光保存了1.5秒,破了之前0.6 秒的记录.并且把大约1000米长的光压缩到0.02毫米,这相当与光速只有6~7米每秒.这项工作对量子信息传递很有意义,Hau认为,如果此实验再次 改良的话,可以保存光达5秒,祝他们取得更好的成果.
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