光子，即光的基本粒子，具有許多有趣的特性，如它們不會相互碰撞。但這并沒有阻止物理學(xué)家們進行嘗試。芝加哥大學(xué)物理學(xué)家們現(xiàn)在提出了一種新的、高度靈活的方法，使光子的行為更像構(gòu)成物質(zhì)的粒子。

它可能不會給我們帶來光劍，但讓光子碰撞仍然可以帶來一些奇妙的技術(shù)。讓沒有質(zhì)量的光粒子認識到彼此存在的訣竅是，讓它們在原子的范圍內(nèi)相遇，并將光子的特性與電子特性結(jié)合起來。

科學(xué)家已經(jīng)在實驗室里研究這些相互作用好幾年了。電子-光子的伙伴關(guān)系形成了一種稱為極化子的“混合”準粒子。或者，如果你更喜歡你的科學(xué)，帶著一點異想天開的魔力。無論你想怎么稱呼它們，擁有類似于光的特性可以讓極化子在空間中快速移動，而它們的原子環(huán)境決定了它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?，給了它們兩個世界中最好的東西。低質(zhì)量、類似光子的粒子在計算和加密通信方面有著巨大潛力，因此物理學(xué)家們熱衷于更好地控制它們。

芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家洛根·克拉克說：但我們遇到了一個問題，因為光子只與電子軌道處于非常特殊能量的原子相互作用。被限制只能在有限的能量下使用電子，就像一個元音鍵盤一樣有用。如果希望它們具有廣泛的應(yīng)用程序范圍，那么擁有更多相互作用是有幫助的。科學(xué)家們已經(jīng)在研究如何利用量子物理學(xué)的一種奇特之處來操縱原子能水平的復(fù)雜性，這種奇特之處是，只要給予適當?shù)恼饎?，電子軌道就會分裂成多個副本。

研究人員一直把復(fù)制看作是一種副作用，而不是目標，但這一次，搖動電子的具體意圖是復(fù)制。讓一個粒子以正確的量子方式振動需要Floquet工程應(yīng)用，F(xiàn)loquet工程的歷史根源是對電磁場進行精心定時修補。研究團隊使用激光推動激發(fā)態(tài)銣原子中的電子，使它們發(fā)出嗡嗡聲，從而有效地改變了原子的光譜。通常原子不喜歡改變它們的條紋，例如，無論氫在宇宙的哪個位置，它都會發(fā)出相同的光譜：能幫助我們識別它和其他遙遠的空間元素。

但是通過正確地提取銣的電子軌道，物理學(xué)家可以改變它們的軌道。把激光調(diào)到合適的位置，然后給它們一個震動，每個軌道都會產(chǎn)生一些新的能級。接下來的問題是將光子與在多個層面上運行的克隆電子軌道結(jié)合起來，從而在準粒子上產(chǎn)生一種變化，研究人員將這種準粒子稱為Floquet極化子。與其他極化子不同的是，它們存在于一個可以更好地定制的空間中，可以通過簡單地調(diào)節(jié)它們周圍的頻率來控制。

Floquet polaritons充滿了驚喜，科學(xué)家仍然在繼續(xù)更好地研究他們。不過，下一個任務(wù)是利用這些相互碰撞的光子制造光的拓撲‘流體’，這將是一個非常激動人心的時刻。使用Floquet工程來匹配來自不同來源的彩虹光，幾乎肯定會有助于量子技術(shù)的發(fā)展，更不用說提供研究光與物質(zhì)相互作用的新方法了。極化子可能不再是科幻小說中的固體光束，但無論如何，它們可能照亮未來。

博科園｜參考期刊《Nature》

DOI:?10.1038/s41586-019-1354-5

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普