光—物質交互作用可使不透明的材料變透明

Light-matter interaction can turn opaque materials transparent
http://phys.org/news/2014-10-light-matter-interaction-opaque-materials-transparent.html

October 27, 2014
by Lisa Zyga

(Phys.org) -- 所有物體的顏色是由物體所散射的光來決定。藉由操縱光的散射，科學家能控制物體所傳播及反射的光波長，從而改變它們的外表。

在 Physical Review Letters 裡有一項新發表的研究，研究者已開發出一種操縱光線散射的新方法。他們在理論上證明如何利用複雜的、出現在大量量子發射體（quantum emitters，例如原子或分子）互動中的偶極--偶極交互作用（dipole-dipole interactions），在不透明的材料中誘發出透明。這種能力具有數種潛在應用，例如產生慢光（slow light）或靜止光（stopped light，停駐光），以及在阿秒（attosecond）物理學領域中的應用。

"我們研究最重要的地方在於發現一種非常整潔的現象（偶極誘發之電磁透明，dipole-induced electromagnetic transparency，DIET），那也許能用來控制光在光學活性介質（optically active media）的傳播，" 共同作者 Eric Charron 表示，法國 Orsay，巴黎第十一大學（University of Paris-Sud）教授。"我們證明光如何被一個奈米大小的系統所散射，集體透過強烈耦合的二階層原子╱分子產生嚮應，而這可透過材料參數的修改來操縱：只要能充分（adequately）調整一個不透明介質之組成原子╱分子的相對密度（relative densities），就能使該介質在任何給定的頻率下呈現透明。"

如同科學家的解釋，在處理個別量子發射體（即單一原子或分子）時我們可以充分了解光的散射。但是在處理二個以上、正進行交互作用的發射體時，背後的物理學會變得更加複雜。在此例中，發射體所經歷的電磁場，不僅僅是擊中其表面的光束，還包括它所有鄰居所輻射的所有電磁場，而這些電磁場接著也會受到問題中的發射體影響。

每個量子發射體都能有一個偶極，意思是帶正極的一邊與帶負極的一邊，這是因為發射體內電子分佈不均所致。在一個包含許多量子發射體的稠密「蒸氣」中，接著能產生強烈的偶極--偶極耦合。而這種集體效應通常會導致一種強化的光--物質交互作用，儘管是非常複雜的一種。

在此，研究者提出理論證明，在稠密量子發射體「蒸氣」中的強偶極--偶極交互作用可用來操控發射體之散射光的光譜特性。尤其是「介質在某種特定波長下會變成透明」這件事可以被控制到一定程度。

科學家解釋，在最根本的層次上，DIET 起因於量子發射體間所散發之電磁波的破壞性干涉。DIET 也與另一種現象密切相關，稱為電磁誘發透明（electromagnetically-induced transparency，EIT）。EIT 也是基於破壞性干涉，不過那是由雷射而非偶極--偶極交互作用所誘發。

科學家預期，DIET 能像 EIT 一樣有許多應用，包括透過與介質進行交互作用，而產生慢光或靜止光。慢光有許多光學上的應用，包括資訊傳輸、交換（switches）與高解析度光譜儀。此外，在阿秒物理學的領域中，DIET 也有可能在稠密的原子或分子氣體中產生高次諧波（high harmonics）。

研究者預測，DIET 能實驗性地以不同方式實作，包括侷限在一 cell 中的原子蒸氣內，以及超冷稠密原子雲內。然而，這二種系統仍面臨「證明 DIET」上的一些挑戰，那必須在未來解決。

"目前，我們的目標是在多層次的原子或分子系統中觀察 DIET，" Charron 表示。"每一個發射體將表現像一系列的振盪偶極，而這預期會產生一系列的透明視窗，因而也為更精細、更有彈性的操縱策略開闢了一條道路。未來幾個禮拜內，我們將在 Arxiv 上就此主題發表新的結果。此外，由於強烈的異常分散（anomalous dispersion），DIET 也將提供另一種方法來減緩光線。我們因而計畫在最近的未來研究 DIET 所產生的慢光，那在資訊處理中有潛在應用。"

※ 相關報導：

＊ Dipole-Induced Electromagnetic Transparency
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.163603

Raiju Puthumpally-Joseph, Maxim Sukharev, Osman Atabek,
and Eric Charron
Phys. Rev. Lett. 113, 163603 – Published 16 October 2014
doi: 10.1103/PhysRevLett.113.163603

＊ 「電磁蟲洞」一種可能的隱形技術
＊ 神奇聲子：阻擋聲音、精確導熱
＊ 拓樸絕緣體：促使光與物質混合
＊ 2D 錫會是下一種超級材料？
＊ 質子半徑之謎或能以量子引力解開