大量光子被诱导,形成一个单一的超级光子,这还是第一次。这一特殊技术,首先提出的人是阿尔伯特•爱因斯坦和萨特延德拉•纳特•玻色(Satyendra Nath Bose),是在1925年提出的,这一技术有助于缩小电子设备的尺寸。
接近绝对零度时,一些原子和分子就可形成量子材料,叫做玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)。在这种材料中,这些粒子都处于尽可能低的能量状态,表现得像一个单一的实体。
然而,尽管有爱因斯坦和玻色的预测,要诱导光子掉进它们的最低能态,形成玻色-爱因斯坦凝聚态,已经证明是很难的。当光子被“冷却”时,它们就消失了。这是因为,难以控制的光粒子会被周围物质吸收,在冷却过程中,它们不会散发能量。
光的温度是多少呢?当灯泡钨丝加热时,它就开始发光,先是红色,接着是黄色,最后是蓝色。因此,每种颜色的光可以被指定一个“形成温度”。蓝色光比红色光热,但钨发光不同于铁,这是举个例子。这就是为什么物理学家在校准色温时,要依赖一种理论上的模型对象,即所谓的黑体(black body)。如果这种黑体加热至5500摄氏度,它的颜色就会和正午阳光的颜色一样。
当黑体冷却时,它在某个时刻辐射的就不再是可见光,相反,它只会发出不可见的红外光子。光子数量就会减少,因此难以捕捉到足够光子,以形成玻色-爱因斯坦凝聚态。
现在,德国波恩大学的马丁•维兹(Martin Weitz)和他的同事们设法降低光子的能量,而又不让它们消失。“这是实验的主要的技巧,”维兹说。实验是在室温下进行。
首先,这一小组放置了两个凹面镜,相距1微米,他们填满透镜状的中空部分时,用的是红色液体染料。然后,他们发射一束绿色激光,瞄准中空部分。染料吸收激光发出的光子,并重新发射出来,发射出的就是较低能量的黄色波长光子,这些黄色波长光子被两个镜面聚焦在中空部分的中心。虽然有些光子确实被镜面吸收,还是有大量光子呈现于激光中,超额弥补了这一点。
“在这个过程中,光子呈现出流体的温度,”维兹教授说。“它们彼此冷却,达到室温状态,就是以这种方式,它们达到了室温,也没有消失,这个过程就是这样。”
低能光子在空腔中心会达到一个密度,大约是每立方厘米一万亿个光子,这时,它们开始表现得像一个单一的光子,在外观上看,是从一团模糊的发光,转变为一个明亮的点。“所有的光子步调一致,”维兹说。
剑桥大学的皂兰•哈子巴比克(Zoran Hadzibabic)说,这一结果完成了理论上的旅程,这一旅程,爱因斯坦和玻色在85年前就开始了。“有这项工作,就画上了一个句号,”他说。
维兹说,这项研究有助于进一步缩小电子装置的尺寸。紫外线有很短的波长,从而可作为一种理想的工具,把小型图案刻制到电脑芯片上。但紫外线激光器很难制备。如果紫外线光子冷却可采取同样的方法,就像这项研究中的光学光子那样,那么,玻色-爱因斯坦光子凝聚态,就可以作为一种新的高能紫外光光子源,维兹说。
这种玻色-爱因斯坦光子凝聚态是一种全新的光源,属性很像激光。而与激光相比,它有一个决定性的优势,“我们目前没有能力生产一种激光,使它发出波长很短的光,比如,属于紫外线或者x射线的波长范围,”维兹解释说,“有了玻色-爱因斯坦光子凝聚态,这应该可以做到。”
这样的前景,首先会使芯片设计师兴奋。他们用激光光束雕刻逻辑电路,就是刻在半导体材料上。光刻结构有多精致,限制因素是光的波长。也有其他因素。长波激光不太适合精密工作,不如短波长的光,这就像你试图用牙刷签字一样。
x射线辐射比可见光波长短得多。原则上,x射线激光应可用于更复杂的电路,当然是在相同的硅表面。这就会创造出新一代的高性能芯片,因此,也会创造出更强大的计算机,让最终用户使用。这一技术也有其他发明的应用,如光谱或光伏电池。
突破光刻技术的极限
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