重新构想双缝实验：时间作为光控制的一个新维度

发布时间：2023-05-19 10:49:34 所属栏目：外闻来源：

导读：对于任何在高中学习过物理的人来说，双缝实验这个词肯定会敲响警钟。这是有史以来在光研究中最具影响力和开创性的实验之一。

它于1801年由英国学家托马斯·杨（Thomas Young）首次主持（他也帮助破译了罗塞

对于任何在高中学习过物理的人来说，双缝实验这个词肯定会敲响警钟。这是有史以来在光研究中最具影响力和开创性的实验之一。

它于1801年由英国学家托马斯·杨（Thomas Young）首次主持（他也帮助破译了罗塞塔石碑）。杨着手证实克里斯蒂安·惠更斯的波动理论，该理论于1690年提出。当时，人们认为这种光是由称为光子的粒子组成的，但经证明它也具有类似波的性质。

“双缝实验是通往更复杂的时间调制道路上的第一块砖，例如备受追捧的时间晶体，其光学特性以周期性的方式进行时间调制。

这可能在光放大，光控制方面具有非常重要的应用，例如用于计算，甚至可能是光的量子计算，“伦敦帝国理工学院的博士生Romain Tirole在接受IE采访时说。Tirole是一个研究小组的成员，该小组利用时间探索双缝实验。

杨于1801年在皇家学会发表了他的作品“关于颜色和光的理论”。在这篇文章中，他详细介绍了各种干涉实验，包括他现在著名的狭缝实验。杨当时因与牛顿关于光是一种粒子的观点争论而受到严厉批评。

Young最初的设置仅由一条狭缝组成，使用一张带孔的纸，让阳光作为光源通过。然后他用一张卡片将光束一分为二。这两束光相互干扰，在墙上形成干涉图案。

现代实验装置由一束穿过两个狭缝并产生干涉图案组成。虽然最初的实验旨在证明光的波动性，但它已被用于许多重要的发现。

也许，最重要的是证明电子的波粒二象性。1826年，克林顿·戴维森和莱斯特·杰默在双酚实验中使用了电子流（而不是光）。电子从镍面反弹后在屏幕上形成衍射图案，证实了电子同时具有波状和粒子状特性。此后，这已扩展到原子和分子。

近年来，研究人员在杨的实验遗产的基础上创造了新的实验。其中一个小组，包括伦敦帝国理工学院的Tirole，已经及时探索了双缝实验。研究小组还包括伦敦帝国理工学院博士后Stefano Vezzoli和伦敦帝国理工学院物理学教授Riccardo Sapienza。该团队的研究结果发表在Nature Physics上。

“多年来，我们一直在纳米光子学（纳米结构中的光科学）领域工作。在 COVID-19 危机期间，我们在进入实验室和制造样品时遇到了麻烦，但这也给了我们反思的机会。

这促使我们设计实验来解锁时间作为控制光的新维度，特别是时间粒子（仅存在很短时间的粒子）的散射。两年后，事实证明，光与两个时间粒子相互作用，时间狭缝，更容易理解，“Tirole说，解释了研究背后的动机。

该团队使用“时间狭缝”而不是传统的物理狭缝来观察干涉图案。为了创建这些狭缝，他们使用了薄的铟锡氧化物（ITO）薄膜，通常用于触摸屏和LED。

ITO薄膜的反射率通过使用超快时间尺度上的激光进行了修改。激光在材料中产生微小的狭缝，允许光线在特定时间通过。ITO薄膜具有快速响应时间，反射率在几飞秒内变化。

这样产生的干扰是由于通过时间狭缝的光的频率变化，而不是传统实验中波长的变化。

除了时间狭缝，ITO超材料也是一个有趣的点。超材料经过人工工程设计，具有自然界中没有的特性。对光的精细控制是超材料的一个有前途的特征，并可能导致新技术。

“这可能对光放大，光控制，例如计算，甚至光的量子计算都有非常重要的应用，”Tirole解释说，他们的多年研究工作可能对等离子体物理学的未来发展产生影响。

“一个重要的警告是，尽管我们有明确的光色控制和时间衍射证据，但这实际上是以建立了一个非常不切实际的大和非常不复杂的激光研究实验室为代价的。

我们离实际应用还有很长的路要走，例如，在较小的设备中作为激光指示器。但正如科学一直向我们展示的那样，更多的突破可能会在拐角处，“蒂罗尔在谈到他们的发现的未来应用时解释说。

尽管该技术与现实世界的应用相去甚远，但时间晶体是可能受到影响的最令人兴奋的研究领域。时间晶体是一个新的研究领域，在科学界引起了不小的轰动。它们是一种独特的物质类型，在时间上显示出周期性的运动，这与大多数物质形式具有周期性运动时空运动不同。

时间晶体可用于高精度的时间测量或作为量子计算机的存储器等。然而，这项研究仍处于早期阶段，因为它们的存在仅在2012年首次提出理论。

纳米光子学，或纳米尺度的光操纵，是另一个可能受到这项研究影响的领域，Tirole和团队已经在研究。这可能导致新设备和技术的发展，例如太阳能电池，高速计算机和光纤。

在讨论基于当前工作的未来研究范围时，Tirole认为仍有许多挑战需要解决。“我们如何使这种光的颜色塑造更有效率？目前，我们仍然需要高能量进行实验。这些带来的高能量也可以燃烧我们的生物样品！

在这项技术可供我们使用之前，似乎还有几个问题需要回答，甚至可能在激光笔等日常物品中！

（编辑：汽车网）

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