科学家首次发现微共振腔内的光能纵向振动,该团队研究的核心是低语 -

2020-05-04 作者:创新快车道   |   浏览(200)

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伦敦帝国理工学院、牛津大学和国家物理实验室的研究人员利用耳语廊效应,证实光和高频声波之间存在“强耦合机制”。这一发现不仅会对传统及量子信息处理技术产生重大影响,还可以大规模测试量子力学行为。相关论文于近日发表在著名的《光学》杂志上。

科学家首次发现微共振腔内的光能纵向振动

微小玻璃结构中的轻微和高频声波可以强烈地相互耦合并逐步进行舞蹈。

研究小组主要利用了“耳语廊模式共振”。这种现象是以19世纪在圣保罗大教堂观察到的一种效果命名的。在圣保罗大教堂,当你面对拱廊一端墙壁轻声说话,会经由教堂的巨型圆顶,清楚传到对面墙壁,使在另一侧的人清楚听到你说话的内容。

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来自伦敦帝国理工学院,牛津大学和国家物理实验室的一组研究人员已经实验性地实现了长期目标,以展示轻微和高频声学振动之间的所谓强耦合机制。

研究人员通过锥形光纤将光注入光学微谐振器中,光围绕微小圆形玻璃结构的表面多次反射,在结构内部循环数千次,由于玻璃环形谐振器可以储存大量的光,这些光能“摇晃”材料中的分子,产生声波。

据物理学家组织网5月28日报道,课本里的知识告诉我们,平面光波的振动方向一直是横向的,也就是说,与其传播方向垂直。但奥地利维也纳技术大学的科学家们在最新的原子—物理实验中发现,在瓶子那样的微共振腔内的光拥有一种独特属性,其振动方向是纵向的。最新研究成果有助于科学家们开发新的超敏传感器和量子力学路由器等新式设备。

该团队的研究将对经典和量子信息处理产生影响,甚至可以在大规模上测试量子力学。他们的研究细节今天发表在Optica杂志上。

当光在圆形玻璃结构上循环时,可与11吉赫的声波相互作用,导致光向相反方向散射。这种相互作用可允许能量以一定的速率在光和声波之间交换。然而,光场和声场都会由于类似摩擦的过程而发生衰减,阻止两者耦合。该小组利用两个耳语廊模式共振克服了这一挑战,并且获得了大于类摩擦过程的耦合速率。在微小的玻璃结构中,实现了光和高频声波相互耦合。

在一个瓶子微共振腔内,当激光不沿光纤行进而是围绕光纤呈螺旋状行进时,能被耦合成一种光学玻璃纤维。光在瓶子微共振腔内可被存储约10纳秒,相当于围绕光纤旋转3万圈所耗费的时间,这足以让光和被带到光纤表面附近的单个原子之间相互作用。但维也纳技术大学科学家在最新实验中发现,这种情况下,光和物质的耦合程度比以前认为的要强。他们对这一令人吃惊的答案的解释是,在这样的微共振腔内,光拥有一种独特的属性:纵向振动。

该团队研究的核心是低语 - 模式共振,其中光线在上图所示的小圆形玻璃结构表面周围反弹很多次。

研究小组正准备在接近绝对零度的温度下开展进一步实验,以探索量子力学行为,发展量子技术。

科学家们解释说,光波的振动方向对光波的行为至关重要。在瓶子微共振腔内,光波能在光纤周围顺时针行进,也能逆时针行进。如果这两种逆向行进的光波的偏振方向是横向的,它们将在某个地点互相增强,而在其他地方互相抵消。维也纳技术大学量子科学中心、原子和亚原子物理研究所的阿诺:劳斯彻布特勒教授说:“正是这种破坏性的干涉限制了光波和玻璃纤维周围的原子之间的耦合强度。”

这种现象的名字来源于十九世纪在圣保罗大教堂观察到的效果,人们可以沿着圆形画廊大楼的墙壁低语,并在另一侧听到。

但如果这两束光波纵向振动,那么它们的振动状态必然会不同。其结果是,通过破坏性的干涉来让逆向传播的光束完全相互抵消不再可能,因而光—物质之间的耦合强度更强。劳斯彻布特勒说:“起初我们真的很震惊,以前我们都知道光能纵向振动,但直到现在,还没有人描述这种振动在微共振腔内的光—物质相互作用中的重要性。”

令人着迷的是,这些玻璃环谐振器可以储存过量的光,可以摇动材料中的分子并产生声波,该项目的共同作者,国家物理实验室的Pascal DelHaye博士说。

研究人员表示,最新研究让他们可以据此研制出超灵敏的传感器,这种传感器能用光探测单个原子。而且瓶子微共振腔也摇身一变,成为研究光—物质相互作用基本属性的理想工具。科学家们下一步计划制造出一种由单个原子控制的光路由器,其能打开和关闭两个输出端之间的光。未来这样的一种量子力学路由器有望让光纤网络中的量子计算机之间实现互联。

当光围绕玻璃结构的圆周循环时,它与11GHz声振动相互作用,导致光沿相反方向散射。这种相互作用允许能量以一定的速率在光和声之间交换。然而,由于类似摩擦的过程,光场和声场都会衰减,从而阻止两者分步跳舞。

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该团队通过利用两个这样的回音壁模式共振来克服这一挑战,并实现了比这些类似摩擦的过程更大的耦合率,从而可以观察到轻音舞蹈的特征。

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该项目的主要作者,牛津大学的Georg Enzian说:实现这种强耦合制度对我们来说是一个激动人心的时刻。该项目的合着者,伦敦帝国理工学院教务长Ian Walmsley教授说:我对这个新实验平台的近期和长期前景感到兴奋。

展望未来,该团队正在准备下一代这些实验,这些实验将在接近绝对零度的温度下运行。这将使高灵敏度的量子力学行为得以探索和利用,用于量子技术的发展,该项目的首席研究员,伦敦帝国理工学院量子测量实验室的Michael Vanner博士说。

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