光速那么快，怎样才能让它停下来？

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减缓光速的科学家

Lene Vestergaard Hau 是丹麦物理学家。在 1999 年，她带领一个哈佛大学团队操纵超流体当作功地减缓一束光至每秒约 17 米，而在 2001 年，她可以或许让一束光完全冻结。后来，她基于这些尝试研究了光与物质的彼此感化和转化，这样的过程对量子加密和量子计较有主要意义 [1]。

Lene Hau，1959 年 11 月 13 日出生于丹麦，在丹麦奥胡斯大学获得数学学士学位和硕士学位以及物理学博士学位，后来在哈佛大学和四周的罗兰科学研究所工作。Hau 在整个 20 宿世纪 90 年月的研究重点是成长可以或许减缓光速的超寒气体。她开创了一种冷却钠原子的手艺，并由此在温度很是接近绝对零度的时辰实现了一种叫做“玻色-爱因斯坦凝集态”的新物质形态。恰是在这一玻色-爱因斯坦凝集态 (BEC) 中，她和她的团队当作功减缓了和冻结了光束，而且实现的了对光场中的信息进行存储和处置 [2]。

让我们来看看 Lene Hau 事实做了什么？

玻色-爱因斯坦凝集

尝试上实现的玻色-爱因斯坦凝集，上图的峰代表大部门粒子都集中在一个状况上（图片来历：维基百科）

减缓甚至冻结光束的理论部门要从玻色和爱因斯坦起头说起。玻色-爱因斯坦凝集（Bose Einstein Condensate），简称为 BEC，是指玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状况。上宿世纪 20 年月，年青的印度物理学家 Satyendra Nath Bose 和科学巨匠 Albert Einstein 以 Bose 本人关于光子的统计力学研究为根本，预言了当玻色子原子系统被冷却到低于临界温度时，几乎全数的原子城市堆积到能量最低的量子态，从而形当作一种全新的相态。

按照量子力学的根基法则——不确定性道理，粒子的动量（或速度）越切确，其位置就越不克不及切确，反之亦然。在刚好零度（现实上永远无法达到）时，粒子将具有零动量，即切确值。这意味着粒子的位置将是高度不确定的。极低温下的玻色子原子因为动量极小，因而位置很是不确定，占有的体积大大增添，原子的波函数叠加在一路，重叠并归并当作为玻色 - 爱因斯坦凝集态。

玻色 - 爱因斯坦凝集态很难理解也很难形当作，直到 1995 年，科学家才实现第一次“纯”的玻色—爱因斯坦凝集态。它有着很多很是有趣的特征，由此延长出良多神奇而深刻的研究。好比它们可以有异常高的光学密度差，利用激光可以改变玻色—爱因斯坦凝集态的原子状况，使它们对必然的频率的折射率骤增，这样光束在此中的速度就会骤降，甚至到数米每秒。Lene Hau 和她的团队恰是操纵这一特征实现了光束的减缓和冻结 [3]。

减缓并冻结光束

1994 年，Lene Hau 和合作者设计并制造了一种巧妙的原子束光源。该装配可以经由过程加热金属钠，使其融化并蒸发，尔后将蒸发出的热钠原子从一个针孔装配射出到冷却装配中。冷却装配本家儿要由激光束组成，室温下钠原子会高速移动，可是当它们被激光束从三个偏向轰击时，它会掉去能量并减速冷却下来。经由过程一系列复杂的过程，Lene Hau 可以当作功地捕捉一批温度极低的钠原子。整个冷却过程需要大约 38 秒，可以将钠原子云冷却到几个 nK（K：绝对温标单元）的温度，这是一个很是低的温度，远远低于天然界中的任何温度。在这个温度下，钠原子云凝集形当作玻色-爱因斯坦凝集态。

一旦发生玻色-爱因斯坦凝集态，Hau 就将一束与低温原子云共振的耦合激光射标的目的原子团，使得原子云和激光中的光子彼此耦合“纠缠”在一路，就仿佛它们是统一个实体。尔后 Hau 将别的一束探测脉冲激光从分歧的偏向再次入射到这一系统中，探测光中有一些光可以经由过程原子云，但速度只有真空中光速的大要 2000 万分之一。Hau 在 1999 年颁发的文章中当作功实现了这一过程 [4]，将光束的速度降到了大约每秒 17 米。两年后，她当作功地冻结了一束光。

对光场信息的存储和把持

光脉冲在 BEC 之间的传递（图片来历：参考文献[5]）

在 2007 年，Hau 的小组进一步尝试。她们起首冻结了一束光。当光脉冲被完全压缩并被完全包含在低温原子云中时，该团队俄然封闭了耦合激光器。低温原子云的特征发生改变，这使得光脉冲无法透出低温原子云，被困在里面。而当她们从头打开耦合激光器时，本来的光脉冲则会从低温原子云的释放出来。在低温原子云中，光脉冲被压缩了大约 5000 万倍，但不会丢掉此中存储的任何信息。信息由此从光旌旗灯号转移到物质中储存。

别的，在两个低温原子云之间，存在着行进的物质波，它可以将初始光脉冲的信息切确复制并传输到下一个低温原子云。当物质波在原子云之间传布时，速度大要是每小时 200 米，在此时代人们可以将其捕捉，并以任何我们想要的体例重塑和改变它 [5]。

“这项工作可能会在节制光学信息方面供给新的路子，并应用于量子信息处置和量子暗码学范畴”，Hau 说，“有朝一日，在利用光子而不是电子来携带和处置信息的量子计较机中，慢速或冻结的光可能会大放异彩”。

参考文献

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Lene_Hau

[2] https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.6.20171113a/full/

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Bose%E2%80%93Einstein_condensate

[4] Hau L V, Harris S E, Dutton Z, et al. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomicgas[J]. Nature, 1999, 397(6720):págs. 594-598.

[5] Ginsberg N S, Garner S R, Hau L V. Coherent control of optical information with matter wave dynamics[J]. Nature, 2007, 445(7128):623-6.

出品：科普中国

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