Only Perception: 德國物理學家創造出「超級光子」

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