冷冻光：找到新的可能

编译/吴学平

冷冻光：找到新的可能

编译/吴学平

光子与原子之间的模糊界线变得更加暧昧了。量子物理学家首次创造出处于玻色-爱因斯坦凝聚态的光子——这一物质形态先前被怀疑只可能在原子上实现。新技术可以被用来提高太阳能电池与激光的效率。

玻色-爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的量子形态。德国波恩大学的量子物理学家马丁·魏茨解释说，这一理论是萨蒂延德拉·纳特·玻色与阿尔伯特·爱因斯坦在上世纪20年代首先提出来的。这两位科学家推断说，假如某些原子被冷冻至接近绝对零度的温度，那么原子的量子特性就会占据主导地位。这样的话，所有原子都会收缩，转化成同样的量子态，于是都“步调一致”，集体行动，就好像是某种超级原子似的。

1995年，两个实验小组各自独立使用铷原子和钠原子首次制造出玻色-爱因斯坦凝聚体。从理论上讲，物理学家知道应该同样有可能利用光子来制造玻色-爱因斯坦凝聚体。但这在现实中似乎不太可能，因为与原子不同的是，光子在实验中无法保存。魏茨说，这就意味着当你想要冷冻光子时，它们就在实验中消失了，因为被周围实验装置中的原子吸收了。他解释说：“如果你想要冷却一个灯泡，它就会熄灭——光就这么消失了。”

现在，魏茨与同事找到一种方法，可以延长光在实验中的逗留时间，于是科学家就有足够的时间制造出光子的玻色-爱因斯坦凝聚体。这一技术的细节刊登在2011年1月24日的英国《自然》杂志上。

为防止通常没有质量的光子发生逃逸，实验小组将光子锁团在两块曲面镜之间的空穴中。镜子限定了光子的移动与振动方式，迫使光子群像原子那样活动，总质量相当于一个铷原子的一百亿分之一。

实验小组之所以知道这些光子是何时变成玻色-爱因斯坦凝聚体的，是因为处于玻色-爱因斯坦凝聚态的那部分光子会在空穴中央形成一束明亮的黄光——如同一束激光。黄光周围则弥散着普通光子。

美国麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒形容这一成果是“物理学上的精彩一页”，消除了原子与光子的又一个区别。克特勒领导的研究团体是首批利用原子制造出玻色-爱因斯坦凝体的实验小组之一，他因此与他人分享了2001年诺贝尔物理学奖。

新技术也许有朝一日可实际用于收集和聚焦日光。虽然普通透镜可以在晴天聚焦太阳能电池内的阳光，但玻色-爱因斯坦凝聚态技术的优势在于同样可以收集阴天里各个方向的散射光。

克特勒表示，光子的玻色-爱因斯坦凝聚体还提供了生成激光束的新方法。他说：“现在讨论可能的应用方法具有多强的竞争力还为时尚早，不过我们应该探索那些可能性。”