光速那么快，怎樣才能讓它停下來？

圖片來歷：migu4u.com

減緩光速的科學家

Lene Vestergaard Hau 是丹麥物理學家。在 1999 年，她帶領一個哈佛大學團隊操縱超流體當作功地減緩一束光至每秒約 17 米，而在 2001 年，她可以或許讓一束光完全凍結。后來，她基于這些嘗試研究了光與物質的彼此感化和轉化，這樣的過程對量子加密和量子計較有主要意義 [1]。

Lene Hau，1959 年 11 月 13 日出生于丹麥，在丹麥奧胡斯大學獲得數學學士學位和碩士學位以及物理學博士學位，后來在哈佛大學和四周的羅蘭科學研究所工作。Hau 在整個 20 宿世紀 90 年月的研究重點是成長可以或許減緩光速的超寒氣體。她開創了一種冷卻鈉原子的手藝，并由此在溫度很是接近絕對零度的時辰實現了一種叫做“玻色-愛因斯坦凝集態”的新物質形態。恰是在這一玻色-愛因斯坦凝集態 (BEC) 中，她和她的團隊當作功減緩了和凍結了光束，而且實現的了對光場中的信息進行存儲和處置 [2]。

讓我們來看看 Lene Hau 事實做了什么？

玻色-愛因斯坦凝集

嘗試上實現的玻色-愛因斯坦凝集，上圖的峰代表大部門粒子都集中在一個狀況上（圖片來歷：維基百科）

減緩甚至凍結光束的理論部門要從玻色和愛因斯坦起頭說起。玻色-愛因斯坦凝集（Bose Einstein Condensate），簡稱為 BEC，是指玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀況。上宿世紀 20 年月，年青的印度物理學家 Satyendra Nath Bose 和科學巨匠 Albert Einstein 以 Bose 本人關于光子的統計力學研究為根本，預言了當玻色子原子系統被冷卻到低于臨界溫度時，幾乎全數的原子城市堆積到能量最低的量子態，從而形當作一種全新的相態。

按照量子力學的根基法則——不確定性道理，粒子的動量（或速度）越切確，其位置就越不克不及切確，反之亦然。在剛好零度（現實上永遠無法達到）時，粒子將具有零動量，即切確值。這意味著粒子的位置將是高度不確定的。極低溫下的玻色子原子因為動量極小，因而位置很是不確定，占有的體積大大增添，原子的波函數疊加在一路，重疊并歸并當作為玻色 - 愛因斯坦凝集態。

玻色 - 愛因斯坦凝集態很難理解也很難形當作，直到 1995 年，科學家才實現第一次“純”的玻色—愛因斯坦凝集態。它有著很多很是有趣的特征，由此延長出良多神奇而深刻的研究。好比它們可以有異常高的光學密度差，利用激光可以改變玻色—愛因斯坦凝集態的原子狀況，使它們對必然的頻率的折射率驟增，這樣光束在此中的速度就會驟降，甚至到數米每秒。Lene Hau 和她的團隊恰是操縱這一特征實現了光束的減緩和凍結 [3]。

減緩并凍結光束

1994 年，Lene Hau 和合作者設計并制造了一種巧妙的原子束光源。該裝配可以經由過程加熱金屬鈉，使其融化并蒸發，爾后將蒸發出的熱鈉原子從一個針孔裝配射出到冷卻裝配中。冷卻裝配本家兒要由激光束組成，室溫下鈉原子會高速移動，可是當它們被激光束從三個偏向轟擊時，它會掉去能量并減速冷卻下來。經由過程一系列復雜的過程，Lene Hau 可以當作功地捕捉一批溫度極低的鈉原子。整個冷卻過程需要大約 38 秒，可以將鈉原子云冷卻到幾個 nK（K：絕對溫標單元）的溫度，這是一個很是低的溫度，遠遠低于天然界中的任何溫度。在這個溫度下，鈉原子云凝集形當作玻色-愛因斯坦凝集態。

一旦發生玻色-愛因斯坦凝集態，Hau 就將一束與低溫原子云共振的耦合激光射標的目的原子團，使得原子云和激光中的光子彼此耦合“糾纏”在一路，就仿佛它們是統一個實體。爾后 Hau 將別的一束探測脈沖激光從分歧的偏向再次入射到這一系統中，探測光中有一些光可以經由過程原子云，但速度只有真空中光速的大要 2000 萬分之一。Hau 在 1999 年頒發的文章中當作功實現了這一過程 [4]，將光束的速度降到了大約每秒 17 米。兩年后，她當作功地凍結了一束光。

對光場信息的存儲和把持

光脈沖在 BEC 之間的傳遞（圖片來歷：參考文獻[5]）

在 2007 年，Hau 的小組進一步嘗試。她們起首凍結了一束光。當光脈沖被完全壓縮并被完全包含在低溫原子云中時，該團隊俄然封閉了耦合激光器。低溫原子云的特征發生改變，這使得光脈沖無法透出低溫原子云，被困在里面。而當她們從頭打開耦合激光器時，本來的光脈沖則會從低溫原子云的釋放出來。在低溫原子云中，光脈沖被壓縮了大約 5000 萬倍，但不會丟掉此中存儲的任何信息。信息由此從光旌旗燈號轉移到物質中儲存。

別的，在兩個低溫原子云之間，存在著行進的物質波，它可以將初始光脈沖的信息切確復制并傳輸到下一個低溫原子云。當物質波在原子云之間傳布時，速度大要是每小時 200 米，在此時代人們可以將其捕捉，并以任何我們想要的體例重塑和改變它 [5]。

“這項工作可能會在節制光學信息方面供給新的路子，并應用于量子信息處置和量子暗碼學范疇”，Hau 說，“有朝一日，在利用光子而不是電子來攜帶和處置信息的量子計較機中，慢速或凍結的光可能會大放異彩”。

參考文獻

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Lene_Hau

[2] https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.6.20171113a/full/

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate

[4] Hau L V, Harris S E, Dutton Z, et al. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomicgas[J]. Nature, 1999, 397(6720):págs. 594-598.

[5] Ginsberg N S, Garner S R, Hau L V. Coherent control of optical information with matter wave dynamics[J]. Nature, 2007, 445(7128):623-6.