原文以 Photons pair up like superconducting electrons為標題
發(fā)布在2017年10月20日的《自然》新聞上
原文作者：Elizabeth Gibney
一項發(fā)現令人不禁想知道光的“超級流”會(huì )是怎樣的。
超導性（電子可以零電阻地通過(guò)特定材料的現象 ） 已經(jīng)使醫學(xué)和出行等在某些方面發(fā)生了革命性的變化?，F在，一個(gè)有趣的實(shí)驗展示了與超導背后原理同樣的行為 — 但是是在光的粒子中。這一發(fā)現讓物理學(xué)家們不禁思考二者之間有多大的可比性。
光在水中行進(jìn)時(shí)，光子會(huì )相互配對，就如同超導體中的電子一樣。
來(lái)源：GIPhotoStock/SPL
美國羅徹斯特大學(xué)的量子物理學(xué)家Nick Vamivakas雖然沒(méi)有參與研究，但是他說(shuō)：“真是令人激動(dòng)，光散射、凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)之間產(chǎn)生了一個(gè)美麗的連接?！?/p>
傳統的超導性依賴(lài)于電子“Cooper對”的形成，它們穩定了彼此的路徑并允許電流不受阻地流動(dòng)。它的發(fā)現催生了強大的超導磁體的發(fā)展，現在超導磁體已被廣泛應用于醫學(xué)掃描儀、粒子加速器、風(fēng)力渦輪機和磁懸浮列車(chē)。
巴西的物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現了光子類(lèi)似配對的證據。在室溫下，當光線(xiàn)通過(guò)包括水在內的一系列透明液體時(shí)會(huì )發(fā)生該過(guò)程，不過(guò)觀(guān)察起來(lái)有很大的難度。里約熱內盧聯(lián)邦大學(xué)（UFRJ）的理論物理學(xué)家André Saraiva說(shuō)：“這種配對不僅是可能的，而且是無(wú)處不在的?！彼鳛楣餐髡咦珜?xiě)的一篇論文已經(jīng)被 《 物理評論快報》 接受發(fā)表。
該團隊仍在探索上述過(guò)程與超導性有多大的可比性。由于光子與環(huán)境的相互作用比電子要少，所以類(lèi)似的光子對不太可能產(chǎn)生像電子在電流中那樣顯著(zhù)的效果。但是這項研究已經(jīng)引發(fā)了人們的種種推測：光子的“超級流”有何特性，可能帶來(lái)哪些應用。
配對
這一發(fā)現源于巴西米納斯吉拉斯聯(lián)邦大學(xué)（UFMG）Ado Jorio領(lǐng)導的研究——光如何在材料內部散射。發(fā)生散射時(shí)，光子損失能量，傳遞給材料中振動(dòng)的原子。如果第二個(gè)光子立即吸收了這部分振動(dòng)能量，那么這兩個(gè)光子會(huì )間接地相連，一個(gè)光子將獲得另一個(gè)光子失去的能量。
Jorio在UFRJ凝聚態(tài)系描述自己的研究時(shí)，激發(fā)了物理學(xué)家Belita Koiller的一個(gè)想法。她注意到這個(gè)過(guò)程（一個(gè)光子引起的振動(dòng)影響另一個(gè)光子）和超導中的Cooper對的形成存在相似性。在Cooper對的形成過(guò)程中，高速電子引起原子晶格畸變，允許一個(gè)電子吸引另一個(gè)電子。
在這兩種情況下，配對都是粒子周?chē)舆\動(dòng)的結果。然而在超導體中，這種振動(dòng)是量子力學(xué)所允許的瞬時(shí)類(lèi)型，被稱(chēng)為虛擬聲子。Koiller和她的團隊想知道：這是否也適用于光？
巴西的物理學(xué)家使用濾波器來(lái)僅僅捕獲由被稱(chēng)為虛擬聲子的量子振動(dòng)所產(chǎn)生的光子對。
來(lái)源：Cassiano Rabelo
首先，UFRJ小組從數學(xué)上表明，如果光子也通過(guò)虛擬聲子相互作用，它們的行為將與超導體中的Cooper對完全匹配。然后UFMG的研究人員通過(guò)在室溫下向水和其他七種透明液體照射激光脈沖來(lái)尋找證據。他們使用探測器來(lái)檢查出現的光子，尋找同時(shí)到達的光子對，其中一個(gè)光子已經(jīng)紅移（失去能量），另一個(gè)藍移（獲得能量）。
如果到達的光子對是由虛擬聲子產(chǎn)生的，而不是由于標準的散射過(guò)程，那么光子的能量轉移應該太小而不可能從經(jīng)典允許的振動(dòng)中獲得，所以團隊使用一個(gè)濾波器來(lái)僅僅讓這個(gè)范圍的能量轉換通過(guò)。他們將看到的結果同兩種能量轉換都被允許的情況進(jìn)行了比較。
在這兩種情況下，他們看到光子對的速率相同，這表明這些光子對必然由虛擬過(guò)程產(chǎn)生。信號很?。好棵腌娂s1萬(wàn)萬(wàn)億個(gè)光子通過(guò)物質(zhì)泵浦，他們看到了10對，而他們預計可能會(huì )看到每10秒鐘一對。
英國劍橋大學(xué)的物理學(xué)家Andrea Ferrari認為這是一個(gè)有趣的發(fā)現，不過(guò)他警告說(shuō)這個(gè)解釋需要其他小組的驗證?！拔乙f(shuō)這不是結束，而一定是開(kāi)始?！?/p>
有趣的可能性
Saraiva表示，存在類(lèi)似Cooper對的光子對的可能性已經(jīng)引起了量子光學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)家的注意，這主要是因為他們想要了解與超導的類(lèi)比能夠延伸多遠。就事論事而言，Cooper對是各種各樣有趣的效應的背后原因— 但到目前為止，該組還沒(méi)有數據提示這是否同樣適用于光。Saraiva說(shuō)：“這些都是我們熱切想要回答的重要問(wèn)題?！?/p>
如果團隊可以提高光子對的數量，那么也可能帶來(lái)一些應用。利用配對的光子與物質(zhì)相互作用的方式，有可能揭示出物質(zhì)當前無(wú)法看到的特性。而且如果這些粒子可以被證明是超越時(shí)間而相互關(guān)聯(lián)的，即它們的量子特性是內在相聯(lián)的，則室溫水可以是一個(gè)非常廉價(jià)的“糾纏”光子來(lái)源。糾纏光子對于量子密碼學(xué)和量子計算至關(guān)重要。
物理學(xué)家們也不禁要問(wèn)，這些光子對是否會(huì )形成類(lèi)似超電流那樣的超級流：如果可以，則光在材料中傳播時(shí)可能會(huì )分散得更少，這樣舉例來(lái)說(shuō)可以帶來(lái)更高效的量子通信。配對的光子甚至可能使材料更透明嗎？Saraiva說(shuō)在現階段，我們還不知道答案。
就目前而言，這一切都是純粹的猜測。但是，Vamivakas說(shuō)將凝聚態(tài)物理學(xué)的概念映射到光學(xué)研究上，一般都可以產(chǎn)生有用的技術(shù)。例如，用來(lái)調控光子如何流過(guò)材料的光子晶體，是從晶格如何影響物質(zhì)中的電子的見(jiàn)解中產(chǎn)生的。Vamivakas說(shuō)，當他第一次聽(tīng)到這項最新研究時(shí)，他對學(xué)生說(shuō)：“嘿，我們怎么沒(méi)想到這個(gè)？”
如果不是因為所涉實(shí)驗設備非常簡(jiǎn)單，這個(gè)發(fā)現可能根本不會(huì )發(fā)生。自2013年以來(lái)，巴西的科研經(jīng)費已經(jīng)減少了60％，許多實(shí)驗室無(wú)法維持設備運轉。Saraiva說(shuō)：“我們很幸運，不用借助任何特殊設備就發(fā)現了一個(gè)如此重要的現象，但我們不能指望每次都有這樣的運氣?！?strong>?
Nature|doi:10.1038/nature.2017.22868
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