http://phys.org/news/2013-09-scientists-never-before-seen.html
Sep 25, 2013
哈佛與 MIT 科學家正挑戰關於光的傳統智慧，而且他們不必到很遠、很遠、很遠的某個星系才能辦到這件事。
在與 Harvard-MIT 超冷原子（Ultracold Atoms）中心的同僚合作下，一個由哈佛物理學教授 Mikhail Lukin 以及 MIT 物理學教授 Vladan Vuletic 所領導的小組試圖誘哄光子結合形成分子 -- 這種物質狀態一直到最近，都只是種理論。這項研究發表在 9/25 日的 Nature 期刊上。
Lukin 表示，這項發現顛覆了幾十年來大家所認可、關於光之本質的智慧。光子一直以來都被描述成無質量粒子，彼此不會產生交互作用 -- 他說，當二道雷射光射向彼此，它們只會各自通過。
可是「光子分子（Photonic molecules）」的行為不太像傳統雷射光，反而更像是某種你會在科幻小說中找到的東西 -- 光劍（light saber）。"我們所知、關於光的絕大多數特性都源自於光子沒有質量這個事實，而且它們彼此不會產生交互作用，" Lukin 說。"我們所做的是，創造出一種特殊的介質型態，在其中，光子與彼此之間的交互作用如此強烈，以至於它們看起來就像是有質量一樣，而且它們開始結合在一起，形成分子。這類型的光子結合態已在理論上被討論好一段時間了，不過直到目前為止，仍未被觀測到。"
"把這個跟光劍相比並不是一種不恰當的類比，" Lukin 補充。"當這些光子彼此交互作用時，它們會相撞然後偏離。發生在這些分子之中的物理學，類似於我們在電影中所看到的。"
為了使在一般情況下無質量的光子彼此結合， Lukin 等人，包括哈佛博士後研究 Ofer Fisterberg、前哈佛博士生 Alexey Gorshkov 以及 MIT 畢業生 Thibault Peyronel 與 Qiu Liang，不能夠倚賴某種像「原力」那樣的東西 -- 他們反而轉向某種更極端的狀況。
研究者首先將銣原子泵入一個真空腔內，然後利用雷射將原子雲冷卻到接近絕對零度。他們利用超超超弱的雷射脈衝，將單一光子射入這朵原子雲內。
當光子進入冷原子雲內，Lukin 表示，其能量在一路上會激發原子，導致光子大幅減速。當光子通過原子雲時，能量從這個原子傳到下一個原子，最終隨著光子離開原子雲。
"當光子離開介質時，其特性（identity，同一性）被保留，" Lukin 說，"這與我們在水杯中所看到的光的折射（refraction）一樣，是相同效應。光進入水中，它將部份能量傳給介質，而在其中，它以光及物質耦合在一起的形態存在，但當它離開時，它仍是光。發生在此研究的過程也是一樣，只不過有點更極端 -- 光被大幅減速，而且有許多能量在折射期間喪失。"
當 Lukin 等人將二個光子射入原子雲時，他們驚訝地看到光子猶如單個分子般，一同離開。
它們形成這種前所未見的分子的原因？
Lukin 表示，有種效應稱為 Rydberg blockade（里德堡障礙），當一個原子被激發後，鄰近原子無法被激發到相同程度。實際上，此效應意味著，當二光子進入原子雲時，第一個光子激發了一個原子，但在第二個光子能激發鄰近原子之前，（第一個光子）必須要往前移動。
他說，結果就是二個光子的能量從某個原子傳到另一個時，光子會彼此拖拖拉拉地通過原子雲。
"那是一種由原子交互作用所斡旋的光子交互作用，" Lukin 說。"這使這二個光子表現猶如一個分子，而且當它們離開介質時，它們更有可能會像這樣哥倆好的一起離開，而非單個光子（single photons）。"
雖然此效應不尋常，不過也能有某些實際應用。
"我們這麼做是為了好玩，而且也因為我們在探索科學的邊疆，" Lukin 說。"不過，那實際上是我們所進行的、一個更大圖像的一部分，因為，光子仍是攜帶量子資訊的最佳可能方法。然而，阻礙就是，光子無法彼此交互作用。"
為了建造一部量子電腦，他解釋，研究者需要建立一套系統，能夠保存量子資訊，以及利用量子邏輯運算（quantum logic operations）的過程。不過，挑戰是，量子邏輯需要個別量子間的交互作用，使得量子系統得以被交換以進行資訊處理。
"我們所證明的是，利用這種過程，我們可以辦到這件事，" Lukin 表示。"不過當我們要製造一個有用、實際的量子交換（quantum switch）或光子邏輯閘時，我們得要改善效能，所以那仍在概念驗證階段，不過這是很重要的一步。我們在此所確立的物理學原理很重要。"
這套系統甚至在古典運算中都很有用，Lukin 說，想想看晶片製造者目前所面臨的功率消耗（power-dissipation，功耗）挑戰。有一堆公司 -- 包括 IBM -- 已在開發倚賴光學路由器的系統，那將光訊號轉換成電氣訊號，不過這些系統面臨它們自己的障礙。
Lukin 也指出，這套系統甚至有一天能用來創造更複雜的三維結構 -- 例如晶體 -- 完全以「光」製成。
"那有什麼用途我們仍然不曉得，不過那是一種新的物質態，所以我們希望新的應用在我們繼續研究這些光子分子時會浮現，" 他說。
※ 相關報導：
＊ Attractive photons in a quantum nonlinear medium
http://dx.doi.org/10.1038/nature12512
Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang,＊ 如何讓光子交互作用？
Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic.
Nature 502, 71–75 (03 October 2013)
doi: 10.1038/nature12512
＊ 科學家首度觀察獨特的Rydberg 分子
＊ 首度在費米子氣體中觀察到磁性
＊ 控制光與物質間的交互作用
＊ 迴避「不確定性原理」：物理學家首度直接測量光的偏振態
＊ 美政府實驗室揭示量子網際網路已運作二年以上
＊ 磁鐵礦創下「電氣開關」速度紀錄
＊ 德國科學家成功抓住光
＊ 研究者首度完成凡得瓦力的直接測量
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打造「光劍」 物理學一大步
【台灣醒報方家敏綜合報導】2013.10.03
想要像《星際大戰》裡的絕地武士般帥氣揮舞光劍，不再是夢想了！哈佛大學與麻省理工的物理學家近日於《自然》期刊發表了一種前所未見的新物質「光分子」。不同於一般無質量的光，光分子具有類似固體的性質，會影響其他介質，並產生如同光劍般的效果。雖然依目前技術還無法打造光劍，但仍是物理學界的一大步。
光劍在電影《星際大戰》中是一項重要的武器，其劍身是以能量凝聚成約1公尺長的物質，並散發光芒。雖然光劍的形成並不符合現今已知的物理學定理，但哈佛大學的教授米凱‧路金與麻省理工的孚拉丹‧福雷提克在近日的實驗中卻意外發現類似光劍的新物質。
起初，物理學家們打算進行光子撞擊銣原子雲的實驗，他們先在實驗室裡擺上幾張桌子，其中一張放著約一公尺寬的真空箱。另一張桌子則擺上光學儀器，來控制雷射光束。第三張長桌上則有各式雷射發射器，可射向不同角度。
實驗發現新物質
物理學家先將真空箱裡的空氣抽光，並注入化學元素「銣」。接著他們用雷射槍冷卻銣元素，讓原本劇烈震動的原子趨緩，最後趨近於-273.15度的超低溫，形成大小10分之1厘米的銣原子雲。下一步，物理學家將光子放入真空箱內燃燒，使其撞擊銣原子雲，瞬間產生巨大能量，周遭的銣原子竟膨脹了千倍。但當光子通過後，銣原子雲的能量又會回到光子身上。
研究者路金解釋道，隨著光子進入原子雲，它的能量活化了周遭的原子，導致光子的速度驟降。隨著光子繼續穿透原子雲，能量在不同的原子間切換，最終又回到光子，離開原子雲。但科學家沒有預料到的是，當兩個光子同時撞擊銣原子雲時，他們之間會互相影響，並堆疊在一起，形成一種前所未見的物質，「光分子」。
哈佛大學的博士預備生歐佛‧福斯坦堡指出，目前光分子是僅止於理論上存在的物質，其特性與幾十年來對於「光」的認識背道而馳。一般而言，光子是一種能量，不會互相影響或作用，當兩道光束互相照射時，只會單純的穿透彼此。
特性類似「光劍」
「光分子的特性更類似於電影《星際大戰》中的光劍，當光子相互作用時，它們會彼此推擠、偏移，就像電影裡所看到的那樣。」路金認為，這項技術將會運用在哪一方面還未可知，但物理學家們將會繼續研究光分子的性質。
在台灣也有製造光劍的高手，星戰迷「馬可多」自從接觸星際大戰後，便開始著迷於光劍的研究，結合了機械、光電、美術等專業，設計了有如真品一般的光劍。用塑膠管、音效卡、雷射光、金屬劍柄，馬可多設計出可以充電、且具備音效、耐打耐撞的光劍，讓許多國內外星戰迷趨之若鶩。
至於有沒有可能做出《星際大戰》裡，用真的光束英勇殺敵的光劍呢？福斯坦堡說，光分子基本上只存在於-273.15度的真空狀態，比太空裡的溫度還低，因此依目前的技術還沒辦法打造光劍，但至少是個開始。「這問題說不定問喬治盧卡斯（電影《星際大戰》導演）還比較可能找到答案！」
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