科學家把光變成一種液體,可以彎曲,速度接近於零

物理 愛因斯坦 宇宙 黑洞 徐德文 2017-06-13

科學家把光變成一種液體,可以彎曲,速度接近於零

真空中光速C是宇宙中的基本物理常數,恆定不變,因為長度單位米就是基於光速和國際時間標準而定義的。但光的速度並非一成不變,在介質中它的速度要小於真空光速C,比如光在玻璃中的速度就只有C的三分之二,大約20萬公里/秒。有沒有一種物質,可以讓光的速度降低到很慢,比如幾米/秒,甚至接近於零呢?

這種物質就是玻色-愛因斯坦凝聚態,科學家們將玻色子冷卻到接近絕對零度的狀態,導致它們落入能量最低的量子態,成為物質的第五種狀態——超流體,具有異常高的光學密度差。光在這種凝聚態中的速度會驟然降低,可以達到幾米/秒,科學家們甚至用自轉的玻色-愛因斯坦凝聚態來製造黑洞模型,將光困在裡面無法逃離。

科學家把光變成一種液體,可以彎曲,速度接近於零

不過玻色-愛因斯坦凝聚態必須在極端條件下才能實現,只具研究功能,不具實用價值。現在來自加拿大蒙特利爾科學技術學院及意大利、芬蘭幾所大學的國際科學家團隊,在常溫下實現了光的“超流體”狀態,沒有摩擦,沒有粘度,可以像液體一樣流動,在不產生波紋和漩渦的情況下繞過障礙物。

科學家把光變成一種液體,可以彎曲,速度接近於零

研究人員把一層薄薄的有機分子夾在兩個相距130納米的超反射鏡之間,形成一種由部分光和部分物質混合的準粒子,通過激光激發成足夠數量的電磁極化子後,再用其發射的藍光來觀察形成的冷凝物。這種冷凝物大約和人的頭髮絲尺寸相當,矛盾地結合了固態、液態和氣態的屬性,以相同的頻率振盪,可以表現得像一個宏觀的波,毫無摩擦和粘度地在物體周圍流動,成功地把微觀的量子態轉變成可觀察的宏觀量子態。最關鍵的是,這種狀態可以在常溫下,在一般環境條件下實現。

研究人員認為,這種效應可能對未來工作產生巨大影響,除了可以在常溫下研究與玻色-愛因斯坦凝聚態相關的基本現象,還可以研究需在液氮下工作的超導材料的性質,構想和設計基於光子超流體的未來設備,比如激光、led、太陽能電池板和光伏電池等。在這些裝置中,這種難以置信的現象可以得到應用,能量的損耗將完全被抑制。

這項研究發表在本週的自然物理學雜誌。

論文:https://www.nature.com/articles/nphys4147.epdf

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