Only Perception: 出自虛無：超材料中的動態開斯米效應將真空波動轉成真實光子

2013-04-19

出自虛無：超材料中的動態開斯米效應將真空波動轉成真實光子

Ex nihilo: Dynamical Casimir effect in metamaterial converts vacuum fluctuations into real photons
http://phys.org/news/2013-03-nihilo-dynamical-casimir-effect-metamaterial.html

By Stuart Mason Dambrotm, March 8, 2013

(Phys.org) -- 在量子力學的奇怪世界中，真空態（vacuum state，有時指量子真空，quantum vacuum，就是現代所謂的「真空」。譯註：古典物理中的「完美真空／perfect vacuum」又稱為「自由空間／free space」。）是一量子系統中最低可能能態。雖不包含實體粒子，但也不代表它是空的：相反地，量子真空包含波動的電磁波以及所謂的虛粒子（virtual particles），後者已知能在實有與虛無間轉變。此外，真空態具有零點能量（zero-point energy）-- 一量子力學系統的最低量子化能階 -- 以靜態開斯米效應（static Casimir effect）的樣貌展現，一種電磁（共振）腔之相對腔壁間具吸引性的交互作用。最近芬蘭 Aalto 大學與 VTT 技術研究中心的科學家使用內嵌在微波（共振）腔內的 Josephson 超材料（metamaterial）展示「動態開斯米效應（dynamical Casimir effect）」。他們證明在某些條件下，真實光子會成對生成，並下結論表示，他們的創作與量子場論的預測一致。

研究者 Pasi Lahteenmaki 談論他與其他參與研究的同僚們 -- G. S. Paraoanu, Juha Hassel 與 Pertti J. Hakonen -- 所遇到的挑戰。Lahteenmaki 表示，雖然他們利用一種內嵌在微波腔內的 Josephson 超材料於 5.4 GHz 證明了動態開斯米效應，不過一般主要的挑戰在於取得高品質的樣本。此外，Lahteenmaki 補充，他們得要確保雜訊的來源是量子，而非那些未納入考慮的額外雜訊，例如環境與樣本間的熱不平衡，或可能的外部雜訊滲透。

藉由增加 SQUID（超導量子干涉儀）偏壓通量（flux-biasing）來調變共振腔的有效長度，超材料亦有其挑戰。"泵訊號（pump signal）需要比較強，但在同一時間，你想確保沒有額外的雜訊透過 pump line 進入系統中，" Lahteenmaki 提到，"而好的過濾意味著高度衰減，那對較強的訊號來說是一種供需矛盾（requirement contradictory）。此外，" Lahteenmaki 繼續說，"達到 10.8 GHz 時，pump 頻率相當高 -- 而在那個頻率範圍內，樣本與設置很容易產生電共振（electrical resonances），那會限制可用頻率。" 簡言之，通量特性曲線需要在泵送時不會抵銷它自己。此外，在 SQUID 環圈內捕捉通量也成了一種問題，那限制了最佳操作點的範圍並導致額外的損耗。

研究者也證明，在對稱於二分之一共振腔調變頻率的頻率上，光子會成對生成。"一般來說，利用今日的鎖頻訊號分析儀，要萃取出這種相互關係並不是大問題 -- 尤其，因為有低雜訊放大器之故，雜訊在不同頻率上並不會產生關聯，" Lahteenmaki 解釋。關於資料收集與平均的問題包括放大器增益偏移與泵訊號的相位隨機化（相對於偵測到的相位），如果產生器的狀態出現變化的話。"低雜訊放大器的雜訊溫度（noise temperature）對於需要被收集的資料數量設了某些限制，尤其是在低參數增益（low parametric gain）範疇下運作的例子中。"

最後，該團隊也在調變頻率一半之處，發現共振腔的大失諧（large detunings），他們發現功率頻譜清楚地呈現出理論所預測的動態開斯米效應的正字標記。"大失諧暗示著所產生的輻射強度較低，" Lahteenmaki 提到。"這意味著長平均次數（averaging times），所以系統應當保持較長時間的穩定。此外，系統需要在很大的一段頻率範圍內不會產生共振，以便取得像樣的資料， -- 而且／或著，某人需要非常了解這些共振以及低雜訊放大器之雜訊溫度的特徵。"

Lahteenmaki 指出，對付這些問題需要一些洞見與創新。"我們不斷將 pump 開啟與關閉，並記錄在輸出功率中所觀測到的差異，以此對抗放大器漂移；適合的操作點利用試誤法來尋找，而光通量的捕捉則以施加一熱脈衝到樣本上，並讓它再度冷卻來消除。研究者在磁性上也以一種超導體防護罩來隔離樣本，同時藉由改變現有樣本的耦合（利用聚焦離子束 (FIB) 切割，來製造寶貴真空耦合電容的差異）使損耗的效應最小化。"

"然而，" Lahteenmaki 強調，"我們最大的問題 -- 排除相對於量子雜訊之古典雜訊的來源 -- 主要是透過樣本與環境的完善特徵化來克服。" 熱不平衡則以對稱的、雀尾形狀的雜訊頻譜（noise spectrum）來剔除。

清楚證明所觀測到的大量光通量並不屬於熱波動的參數放大（parametric amplification），對科學家來說是必要的。"利用一具網路分析儀將參數增益特徵化，" Lahteenmaki 表示，"我們發現，為了要解釋某人得到的雜訊總量，裝置顯然需要更高的增益，若唯一的雜訊來源是「熱」的話。" 此外，確認光子對創造是量子場論之不可交換性結構（noncommutativity structure）的直接結果，也一樣重要。"基本上，實驗結果與理論預測契合地相當好 -- 而且在缺乏其他雜訊來源的情況下，理論暗示我們不該從這種裝置中得到輸出。因此我們看見輸出與理論性預測一致，此結論合乎邏輯。"

接下來，Lahteenmaki 描述他們研究裡的下一個階段。"並不是連續波（continuous wave）pump，相反地，我們能有一條筆直的通量線（flux line），並且餵給它一種如步進般的（step-like）通量脈衝，" Lahteenmaki 表示。"這將允許創造出一種可類比黑洞事相面（event horizon）的東西。事實上，" 他補充表示，"我們希望在一種類似我們目前研究裡所用的超材料中，創造出一個人工事相面，並研究源自於它的霍金輻射（Hawking radiation）。此外，如果能夠跑一些貝爾不等式的實驗會更棒。" Lahteenmaki 表示，他的個人興趣是基礎量子力學、量子資訊以及真空本身的特性。

"這些裝置的明顯應用，" 他提到，"來自於量子計算，而一般來說，它們也能當作許多敏感測量的元件。我認為對於低損耗超材料的關注很高，而這個領域才剛開始。我們的結果證明，這些裝置有潛力而且能為許多實驗提供一個多產的平台，或許實際的裝置也一樣。改善這種裝置 -- 尤其是消除損耗並使其運作更為強健 -- 將使它們創出一種通用的元件，適合創造糾結的微波光子對、低雜訊放大、壓縮真空（squeezed vacuum）以及其他對於量子運算及一般量子力學實驗中還有真空研究中非常有用的功能。"

另一種可能性，Lahteenmaki 補充，是創造出一種超材料，能使訊號在材料中澈底停止傳播，並在之後恢復它。"其作用有點像某種慢光記憶體（slow light memory）能儲存光子以供之後使用。"

其他研究領域也許能得益於他們的研究，Lahteenmaki 表示。"這裡與宇宙學有某些連結，即大霹靂、宇宙膨脹與其他領域。這些超材料或能提供這些事件的類比，並成為一種平台，來模擬這些條件的演化。誰知道呢？" 他深思，並下結論表示 "或許我們找到了神秘暗物質與暗能量或這類系統中其他基礎問題的線索。"

※ 翻譯如有不周請指正。相關報導：

＊ Dynamical Casimir effect in a Josephson metamaterial
http://www.pnas.org/content/early/2013/02/11/1212705110.abstract