世界上最輕、最小的鏡子僅有大約2000個原子構成

鏡子經常被用來改變光的傳播方向。提起鏡子，我們首先想到的自然是「宏觀」的鏡子，由大量原子構成。

近日，兩支科研團隊分別獨立研發出了世界上最輕、最小的鏡子——僅有大約2000個原子構成。實驗結果顯示，雖然只有一兩千個原子，納米鏡成功反射了很大部分入射的光束。

納米鏡：圖中紅色線條為一直徑僅為幾百納米的光纖。在紅色光束「瞬逝場」的作用下，光纖表面形成一維原子陷阱。少量規則排列的原子可以反射光源發出的很大一部分光。（圖中紅色線條約為1~2cm長）

納米鏡子可被廣泛用於光子迴路光信號的控制。此外，因為構成鏡子的原子和原子之間有很強的作用力，從量子力學的角度上，它們可以被看作模擬固體物理性質的微觀系統。

因此，鏡子，不僅僅是激光技術的重要組成部分，也是光子技術必不可少的核心構成部分。此外，對光和單個原子間作用力的精確控制也打開了量子物理嶄新的一頁，為量子信息技術（諸如量子計算）的發展提供了重要支持。

納米鏡系統利用了「布拉格反射」原理：被規則排列的「反射面」（例如晶格中的原子）反射的波，根據波長的長短，會在一定入射角度下發生相干反射。該理論是由威廉·勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg）和他的父親威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）在研究固體晶體結構時總結出來的，並且因此獲得了1915年的諾貝爾物理學獎。

人工布拉格反射鏡

根據該理論，當規則排列的「反射面」間距正好等於入射波長的一半時，入射波的絕大部分都將沿著相反方向反射回去。此時的系統就宛若一面「鏡子」。布拉格反射鏡已經在諸如微型激光器的光學設備中得到廣泛應用（如上圖），通常由數層一定厚度的薄層組成，可以對特定波長的光產生強烈的反射效果。

此前，試圖通過被困原子云來反射光的嘗試需要數以百萬計的原子才能獲得可觀的反射率。

日前，在巴黎瑪麗居里大學的朱利安·勞拉（Julien Laurat）小組和哥本哈根大學的于爾根·阿佩爾（Jürgen Appel）小組分別獨立研發出了僅有少量原子構成的「納米鏡子」。

這些原子被等間距排列在被稱為「光學晶格」的單原子「陷阱」中，這些陷阱由駐波或者強激光產生。兩支科研團隊在靠近光纖的地方形成一維陷阱，用以束縛光束的傳播。

這種實驗設計實現了原子和入射光子之間的強作用力；而在之前的試驗中並沒有光纖，光束可以在包含原子的實驗腔體內自由傳播。

因此，這一技術中「光纖」的參與必不可少，通常直徑只有數百納米。在這種光纖中，光有不少部分都會「泄露」到光纖外部——被稱作「瞬逝場」的空間里。

阿佩爾解釋道：「在如此小的直徑中傳播，大部分光不會在光纖內部傳播，而是順著光纖在其周圍傳播。」根據波長的不同，大約有三分之一的光能量分布在光纖外部。

納米布拉格反射鏡的反射率可以通過射入第三條光束，並且測量其反射光強度而得知。

阿佩爾團隊估計他們的納米鏡包含1300個銫原子，可以反射超過10%的入射光——這一數值超過了日常的窗玻璃板。朱利安團隊的設施包含大約2000個原子，實驗估算大約有三分之一的光被反射回光源。

勞拉團隊較高的反射率不僅僅因為他們的裝置包含更多的原子，還因為他們對於原子在布拉格反射中的位置控制更為精確。

勞拉說，納米鏡的前景之一，是可以通過極其微弱的光信號實現納米鏡的「開」和「關」：通過少數光子將原子置入「非反射」狀態。

事實上，納米鏡的用途和益處遠遠不「鏡子」這麼簡單。

瞬逝場和原子狀態間的「強耦合關係」意味著原子可以通過光子晶格來「感受」到其他原子的狀態變化，並且可以在相對較長的區域互相作用。因此，原則上，這些原子序列可以看作是固體的微觀模擬系統，有希望在量子計算中起到耦合量子點的作用。

然而，兩支團隊都強調，類似應用的實現需要原子和光束間更強的耦合。

蘇黎世聯邦理工學院的量子光學專家蒂爾曼·艾斯林格（Tilman Esslinger）說，上述兩支團隊的實驗結果是科技的一大進步，但是距離真正的量子模擬計算還有一些需要改進的地方。

麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle）是冷原子物理學家、量子光學專家，他盛讚兩支團隊取得了「工程學控制原子與光相互作用的一大成就」。

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