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研究人员成功利用少量光子来控制光

2016-05-05 09:19
PokerJoker
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  星际战争传奇的绝地武士们正在进行一次不可能的战斗。这并不是来自于敌人帝国的强大,而是来自物理,因为激光剑不能像金属刀片一样用于战斗:光束并不能相互感知对方。直到现在为止,为了让一个光束感知另一个光束,需要一大块的材料作为介质,以及需要非常强的光强。马克斯普朗克光科学研究所的一个研究团队第一次演示了一个只需一个单一的有机分子和极少数光子的调制过程。研究人员用这些光粒子来影响和切换另一个光束。这一基本实验不仅有望在物理教材中占有一席之地,而且也可能有助于开发用于光子计算机的纳米光学晶体管。

  目前,计算机行业的未来还不是很明朗。半导体元件,例如晶体管,不可能无限地进行小型化和运行在更高的速度。发展更紧凑和更强大的计算机的一种可能性,可能是用光子而不是电子来处理信息。这是光子学的一个主要目标。然而,在试图制备纯粹的光学晶体管的时候遇到了一个基本的问题:“光不能像在传统的晶体管中电流被另一束电流切换的方式简单地被另一束光切换,”Vahid Sandoghdar解释说,他是马克斯普朗克光科学研究所纳米光学学部的主任,也是位于纽伦堡埃朗根的弗里德里希亚力山大大学的亚力山大·冯·洪堡讲席教授。当光粒子穿过两盏灯或两个激光器的光束时,你才会发现光粒子是多么的害羞。所发生的是:什么都没有发生。“需要一种介质来调节光与光的相互作用”

  光粒子之间的调节器:一个有机分子调节如照片前景中洋红色或绿色球所示的控制光束与探测光束之间的相互作用。在这里,这两束光的能量在它们离开这个分子时会发生变化。这在图中用黄色和蓝色的球象征性的表示出来。

  一个控制光束改变了分子的光学性质

  现在,Vahid Sandoghar的团队已经成功地通过单个有机分子和少量光子来控制光。为了得到这种效果,研究人员首先将嵌入在固体基质中的分子冷却到零下272摄氏度。借助现代显微镜和光谱学技术,他们使精心聚焦后的激光束——一个所谓的控制光束和一个将被切换的探测光束——在一个单一的分子上重叠。“控制光束的任务是改变该分子的光学特性使它对于第二个光束——探测光束来说是透明的,”Andreas Maser解释说,他实际执行了该实验作为其博士论文的一部分。

  光切换光:分子们(红色球体)被嵌入在一个大分子中并被剧烈的冷却。然后,通过透镜进行聚焦的很弱的控制光束(黄色)就足够操纵探测光束(粉红色)。探测光束的透过率取决于光束的颜色的差异。

  以前,需要强大的激光束和宏观的材料来用光去开关光,因为这个过程依赖于一个物理学家称之为非线性的相互作用。在这种非线性相互作用中,材料的光学性质也取决于光强度而不仅仅是材料本身。此外,非线性相互作用远远弱于正常的线性相互作用。这是由于分子中的电子在不同频率的光波下跟随电场振动的能力降低的结果。

  仅仅需要一个光子就应该能够切换分子的性质

  现在,来自埃朗根的研究人员仅仅通过少数几个光粒子就能够切换探测光束,他们接近绝对零度的温度下进行了该实验。“在非常低的温度下,分子的相互作用截面增加到它的几何尺寸的许多倍”,Benjamin Gmeiner说明,他也在该实验中起到了关键的作用。因此,分子变得像一个虚幻的巨人一样,其结果是几乎每一个控制光束的光子都能与分子进行相互作用。“因此,只需要几个来自激光束的光子就足以改变分子的光学性质”研究人员甚至认为,控制脉冲甚至可以进一步减弱。“原则上,一个单个光子就应该足以改变另一个光子的命运”,Vahid Sandoghdar说。

  研究人员现在将继续研究使用单个光子来控制光信号。同时,这个来自埃朗根的团队更愿意专注于实际应用方面:研究人员想将该分子作为一个纳米光学晶体管嵌入到光子波导结构中,像在电路中常见的那样可以用来连接许多分子。这对于未来在光子计算机中处理信息的角度来说将是重要的一步。

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