量子声子激光

中国科技网讯 美国中弗罗里达大学（UCF）一个研究小组9月5日（北京时间）表示，他们造出了仅67阿秒（1阿秒＝10－18秒）的极紫外激光脉冲，这是迄今为止最短的激光脉冲，之前纪录是80阿秒。该技术有望带来一种新工具，帮助科学家研究亚原子世界和迄今未知的量子力学行为。这一成果也标志着近4年来激光脉冲领域的首个重大突破。研究结果提前发表在《光学通信》网站上。 该成果的非凡意义还在于他们并没有使用特殊设备，如英里级的粒子加速器、体育场那么大的圆形同步加速器。UCF物理系教授常增虎（音译）和光学与光子学院同事们在该校弗罗里达阿秒科技（FAST）实验室，利用迄今最强激光在更小空间进行了高水平的研究。 常增虎的小组发明了一种叫做“双光栅”的技术，能将极紫外线以特殊方式切断，在尽可能最短的光脉冲内凝聚大量能量。除了生成了激光脉冲，他还制造了迄今最快的摄像机对光脉冲进行了检测。 “该研究造出了迄今最短的激光脉冲，为理解亚原子世界打开新的大门，让我们看到电子在原子、分子中的运动，跟踪化学反应过程。”UCF理学院院长、物理学家迈克尔·约翰逊说，“设想一下，现在我们可能看到量子力学过程了，这是令人震撼的。” 量子力学是研究微观物理学，尤其是微观水平的能量和物质。这一技术能帮助科学家理解构成世界的最小物质是怎样运作，还能帮助研究在特殊物理、生理过程中，如数据传输过程、治疗癌症或诊断疾病时递送标靶药物的过程中是如何利用能量的。 2001年时，科学家首次演示了阿秒级脉冲。自那时起，全世界科学家就在致力于制造这种最短脉冲激光，以往纪录是2008年德国马克斯·普朗克研究院创造的80阿秒脉冲。“自50多年前发明激光以来，人们对激光脉冲的要求越来越短。” UCF光学与光子学中心院长巴哈·萨雷说，“最新进展不仅让中弗罗里达大学跻身该领域前沿，也为人们打开了研究超快动态原子现象的新视野。”（记者毛黎 常丽君） 总编辑圈点 研究小尺度世界的运动规律，需要“超小号工具”。要干预和观察那些稍纵即逝的现象，就需要能量集中在极短时间的光脉冲。如果人们制造不出相应的光学机器，就没办法监测单个粒子，只能对粒子运动做出统计学意义上的描述；而在人们脑海中，基本粒子世界也只能是全景图，而不是精细的工笔画。美国研究小组的成果，让科学家向着观察量子尺度的运动又走近了一步。微观世界不为人知的景色，有望在极短激光的照射下现出真相。 《科技日报》（2012-09-06 一版）

为研究原子的纠缠态和自旋波等提供了便利条件科技日报 2012年04月21日 星期六 本报讯 据物理学家组织网4月19日报道，美国佐治亚理工学院的物理学家利用激光从超冷的铷原子气体云内激发单个原子，开发出了一种能快速、有效创建单光子的新方式，并有望应用于光量子信息处理之中。相关研究结果发表在当日出版的《科学快讯》（《科学》杂志快速在线版）上。 这套新的单光子系统为研究原子的纠缠态和自旋波等提供了“肥沃的土壤”。科研人员能相当高效地将里德伯激发转化为单光子，随时获取所需的状态，速度可比现有系统快近千倍。 里德伯原子是指一个价电子被激发到高量子态的高激发原子。其价电子离原子实很远，能级结构类似于氢原子。为了获取里德伯原子，研究人员利用激光照射数百个密集的铷87原子。它们都被激光所冷却，并被限制在光学晶格中。激光照射将使单个原子从铷原子气体云中转化为接近电离的里德伯态。原子处于这种高度激发的状态时，将在10微米至20微米的范围内，与其他里德伯原子发生强烈的相互作用。通过修改单个里德伯原子的能量水平并在其周围保有相应的空间，可阻止额外的原子被转化为里德伯态。 一旦高度激发的原子被制成，科学家便可利用额外的激光场将激发转化为具有同样统计属性的量子光场。由于场由单个里德伯原子生成，其只包含一个光子，这可被用于多种协议之中，对于量子信息系统等领域的研究也十分重要。研究人员表示，在首次实验中，生成的单光子的性能已超过了其他类型的单光子。随着效率和生产率的进一步提升，以及和“长寿的”量子存储器的融合，这一单光子来源或可实现光量子的信息处理。 下一步，研究团队将致力开发两个光场之间的光子量子闸。如若成功，将支持他们制成原子和光的复杂纠缠态，这将为量子网络和量子计算添加宝贵的性能。（张巍巍）

证实了70年前朗道提出的温度波理论2013年05月17日 来源： 科技日报 作者： 常丽君 科技日报讯（记者常丽君）“第二声”也叫温度波或熵波，是一种量子力学现象，目前只在超流液氦中才能观察到。据物理学家组织网5月16日（北京时间）报道，最近，奥地利因斯布鲁克大学和意大利特兰托大学物理学家合作实验，在量子气体中也观察到了这种温度波的传播，证实了列夫·朗道70年前假设的理论。相关论文发表在《自然》杂志上。 在低于临界温度时，一些液体会变成超流体而失去摩擦力。此外，超流状态下液体的导热性能极高，会以一种完全不同的温度波的形式来传输能量。由于这种波很像声波，因此也被称为“第二声”。为了解释超流体的性质，物理学家列夫·朗道1941年发展了双流体力学理论，他假设低温下的液体包含超流液和普通液体两部分，后者随着温度下降而逐渐消失。 迄今为止，人们只能在液氦和超冷量子气体中观察到超流动性。另一种超流系统是中子星，在原子核中也发现有超流现象的证据。超流性与超导性密切相关，后者是在低温下表现的零电阻现象。 超冷量子气体是把几十万个原子在真空容器中冷却到接近绝对零度（零下273.15摄氏度）获得的，利用激光能够对此状态下的粒子进行高精度地控制和操纵，因此是观察量子力学现象，如超流动性的理想模型系统。“十多年来，虽然这一领域已有大量研究，但要在量子气体中探测到第二声现象还很困难。”因斯布鲁克大学实验物理学院、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的鲁道夫·格里姆说，“然而到最后，证明它却容易得让人惊讶。” 在实验室中，格里姆的量子物理学家小组准备了由30万个锂原子构成的量子气体，用调制激光束给雪茄烟形的粒子云加热，然后观察到了温度波的传播。“虽然在超流氦里只产生了一个熵波，但我们的费米子气体也显出了一些热膨胀，由此形成了可检测的密度波。”格里姆解释说，这也是研究人员第一次在量子气体中检测到超流体的不同部分。“在我们之前还无人做到这一点，这填补了费米子气体研究中的一个基本缺口。” 该研究是因斯布鲁克物理学家与意大利科学家长期合作的成果。特兰托大学玻瑟—爱因斯坦凝聚中心小组领导之一是列夫·皮塔伊夫斯基，他也是列夫·朗道的学生。他们修改了朗道关于第二声理论的描述，使之与实验中近乎一维的几何波形更加适应。鲁道夫·格里姆说：“利用这一模型，解释实验的检测结果变得更加容易。这一成果代表了我们合作的顶峰。” 总编辑圈点 这是一种完全缺乏黏性的物质状态，如果将其放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。这种超流状态下的液体，导热性能极高，会以“第二声”的形式来传输能量。尽管探测“第二声”非常困难，但证明它却相当容易。此次在量子气体中观察到它，是否意味着，这种神奇的超流体现象离我们的生活越来越近了呢？ 《科技日报》 2013-5-17 （一版）