 |
| Credit:吳京的量子咖啡館 |
“我們都是上自旋的電子 想與妳共處在幸福的能階
但妳卻選擇了Pauli
所以現在 妳在幸福 我在寂寞”
這是一個未來的天文學家在他憂鬱年少歲月時所寫下的三行詩，不小心被館主挖出來重提一翻(所以說別亂交壞朋友，特別是記憶好的損友)。這首詩的靈感來自於近代物理學當中的「包利(Pauli)不相容」理論。老包說，兩個全同的費米子不能處於相同的量子態。費米子是基本粒子之一類，事實上，基本粒子也只有兩大類形，不是費米子，就是玻色子。
電子是費米子的一種，當兩個電子位於同一個能階時，彷彿是拌嘴多年的老夫老妻一般，可以生活在一起，卻愛彼此唱反調，當其中一個電子處於上自旋(Spin up)的量子態時，另一個必定是下自旋(Spin down)的狀態，也就是開場小詩藉以感嘆之所在。
相對於費米子，多個玻色子可以同時處於同樣量子態。著名的玻色子如α粒子、希格斯粒子和光子。
光子雖是玻色子，但德國和立陶宛的理論物理學家在2010年時卻推導出一套理論，說一對光線彼此之間也會「唱反調」，當其中一道光的強度變強時，另一道的強度就會變弱，他們把這種現象稱為「自旋子慢光」(spinor slow light)。這種現象和光子是玻色子並不衝突，因為光能量的相對應變化和粒子的自旋態(spin type)並非同等的物理量，所以館主私以為「自旋子」(spinor)一詞有點耍噱頭的意味。至於「慢光」(slow light)一詞，倒沒什麼花槍，乃速度被減慢的光，這點容館主稍後再說明。
這個理論近期獲得了實驗的驗證，完成實驗的，是來自台灣清華大學物理系余怡德教授所領導的研究團隊，實驗成果於2014年11月被發表在科學介具有指標性的「自然-通訊」(nature communications)期刊上。
這個實驗奠基於「電磁波引發透明」(electromagnetically induced transparency, EIT)的機制，該機制可以用二流武俠小說的劇情來描述：一道單頻雷射光，我們稱她為「訊號光」，高高興興地在光路上前進，突然出現了一團攔路的原子，把訊號光挾持而去，好吸收能量，讓原子內位於低能階的電子被激發到高能階去。說時遲那時快，從旁殺出了一道稱為「耦合光」的同頻雷射光，大喊一聲「放了那個女孩」！把位在高能階的電子嚇得屁滾尿流，跑回低能階去，於是訊號光被釋放出來，繼續她的旅程。
這個理論近期獲得了實驗的驗證，完成實驗的，是來自台灣清華大學物理系余怡德教授所領導的研究團隊，實驗成果於2014年11月被發表在科學介具有指標性的「自然-通訊」(nature communications)期刊上。
這個實驗奠基於「電磁波引發透明」(electromagnetically induced transparency, EIT)的機制，該機制可以用二流武俠小說的劇情來描述：一道單頻雷射光，我們稱她為「訊號光」，高高興興地在光路上前進，突然出現了一團攔路的原子，把訊號光挾持而去，好吸收能量，讓原子內位於低能階的電子被激發到高能階去。說時遲那時快，從旁殺出了一道稱為「耦合光」的同頻雷射光，大喊一聲「放了那個女孩」！把位在高能階的電子嚇得屁滾尿流，跑回低能階去，於是訊號光被釋放出來，繼續她的旅程。
這一齣英雄救美的劇碼中，有幾個物理現象必需加以強調。首先，原子團會吸收訊號光，代表原子團對訊號光而言是不透明的，但耦合光進入後，訊號光可以穿過原子團，原子團就變透明了，此乃「電磁波引發透明」名稱之由來；再者，即使耦合光早就在一旁待命，訊號光還是會受原子團攔路影響而變慢，是謂慢光(slow light)；最後，原子團中的電子其實不是單純地在高、低能階間跑而已，耦合光關閉時，訊號光攜帶訊息會儲存在兩個低能階內，當耦合光再度打入，訊息又可以被訊號光攜出，這在量子資訊的運算及處理方面，是很重要資訊存取技術。
而在「自旋子慢光」的實驗中，擔任攔路者的是一個狠角色，銣87(87Rb)原子團，它提供了兩個顯著差異的高能階和三個僅有些微能量差的低能階。因為有兩個高能階，高、低能階的能量差會對應到二個不同頻率的光；而有著些微差異的低能階，則讓訊號光的訊息可以儲存其中。研究團隊稱這種能階為雙層三腳架原子暨光聯結架構(double-tripod atom-light coupling scheme)、簡稱DT架構。
研究團隊將一道訊號光射入DT架構後，又打入了二個不同頻率的耦合光，讓這齣英雄救美的劇碼變得很詭異：一個美女要如何配二個英雄？沒關係，依量子光學的
 |
| 這就是狠角色，銣87原子 圖片來源：NTHU Ultracold Atom Laboratory |
除了驗證「自旋子慢光」理論外，這個實驗成功地將一道光所承載的訊息轉錄到另一個頻率的光上，雖然說兩道光之間在「唱反調」，但對資訊解讀而言，這好比是白底黑字換成黑底白字般，沒有太大的差別。
在不知多久的未來，當「量子電腦」問世後，要是學生們還在用ctrl+C及ctrl+V來做報告了話，也許都要感謝這個實驗的貢獻呢！
參考資料：
“Experimental demonstration of spinor slow light.” Meng-Jung Lee,Julius Ruseckas, Chin-Yuan Lee, Viačeslav Kudriašov, Kao-Fang Chang, Hung-Wen Cho, Gediminas Juzeliānas & Ite A. Yu,
Nature Communications 5:5542, Nov 2014, DOI:10.1038/ncomms6542
“Experimental demonstration of spinor slow light.” Meng-Jung Lee,Julius Ruseckas, Chin-Yuan Lee, Viačeslav Kudriašov, Kao-Fang Chang, Hung-Wen Cho, Gediminas Juzeliānas & Ite A. Yu,
Nature Communications 5:5542, Nov 2014, DOI:10.1038/ncomms6542
沒有留言:
張貼留言