一種新型玻色愛因斯坦凝聚態
背景
大約一百年之前，著名物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）與薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose ）預測量子力學會使得大量粒子「齊聲歌唱」，其表現如同單一的粒子。這個現象稱為「玻色-愛因斯坦凝聚態」（BEC）。
下面詳細解釋一下玻色-愛因斯坦凝聚態這一物理現象。
在量子世界中，粒子既具有粒子特性，又具有波動特性。
（圖片來源：阿爾託大學）
當粒子被冷卻時，它們的表現越來越像波。
（圖片來源：阿爾託大學）
它們運動的速度變慢，能量也降低。
（圖片來源：阿爾託大學）
玻色子是指能同時具有相同能量的粒子。
（圖片來源：阿爾託大學）
例如，光子和某些原子都是玻色子。
（圖片來源：阿爾託大學）
在足夠低的溫度下，玻色子的波相互重疊。
（圖片來源：阿爾託大學）
它們都可以用單個集體的量子波來描述。
（圖片來源：阿爾託大學）
這種奇異的物質形式稱為「玻色-愛因斯坦凝聚態」。
（圖片來源：阿爾託大學）
然而，直到1995年，科學家們才首次通過實驗觀察到了鹼金屬原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚態現象。
儘管科學家們在幾個系統中都觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚態現象，但是這一現象的一些限制條件還有待進一步突破，目標就是：更快的時間量程、更高的溫度、更小的尺寸。
創新
近日，芬蘭阿爾託大學（Aalto University） 進行的實驗中創造出一種「表面等離激元」的凝聚態。凝聚態粒子由光子與周期排列的金納米棒中的運動電子混合而成。不同於之前大多數實驗方法創造的玻色-愛因斯坦凝聚態，新的凝聚態無需冷卻至絕對零度附近。因為粒子大部分是光子，所以新型凝聚態可以在室溫下產生。
（圖片來源：Tommi Hakala 和 Antti Paraoanu / 阿爾託大學 ）
P?ivi T?rm? 教授 教授已經獲得了歐洲科學研究委員會（European Research Council ）概念驗證階段的補助，用於探索未來的應用前景。
技術
我們首先深入觀察一下表面等離激元所產生的凝聚態現象。
微型納米棒會與入射光線產生共振。
（圖片來源：阿爾託大學）
這種表面等離激元可以通過納米棒周期排列的陣列組合來定製。
（圖片來源：阿爾託大學）
光線陷入納米棒之間，與金屬中的電子產生耦合，從而創造出一種光子與運動電子的混合粒子。
（圖片來源：阿爾託大學）
研究人員採用位於金納米棒陣列頂部的染料分子作為能量源。通過在陣列的一端用激光激發這些分子，就能監測到這些形成凝聚態粒子的傳播。
（圖片來源：阿爾託大學）
當沿著陣列傳播時，粒子只會遇到能夠吸收光線的分子，然後分子又將光線反射回陣列中。由於分子振動，在每次吸收與激發的過程中都會喪失掉一些能量。
（圖片來源：阿爾託大學）
這種所謂的「熱化」（thermalization）可以視為粒子群朝著更低的能量傳播，也就是說，從更短的波長到更長的波長。
（圖片來源：阿爾託大學）
當到達陣列中最低可能的能量時，這些粒子形成了玻色-愛因斯坦凝聚態。
（圖片來源：阿爾託大學）
正如玻色和愛因斯坦的原始理論所描述的，在能量頻譜中，大量處於最低能量狀態的粒子，伴隨著處於更高能量的熱化粒子，從而表現出這種玻色-愛因斯坦凝聚態。
（圖片來源：阿爾託大學）
P?ivi T?rm? 教授表示：「金納米粒子陣列容易通過現代納米製造技術來生成。在納米棒附近，光線會聚焦到小空間中，尺寸甚至低於真空中的光波長。這些特性為基礎研究以及新型凝聚態的應用帶來了有趣的前景。」
證實這種新型凝聚態的主要障礙就是：這一過程會發生得十分快速。博士生 Antti Moilanen 表示：「根據我們的理論計算，凝聚態只在一皮秒內就形成了。我們如何才能驗證某個僅持續一萬億分之一秒的東西的存在呢？」
研究員 Tommi Hakala 表示：「隨著凝聚態形成，它將激發光線穿越金納米陣列。我們通過觀察光線，能及時監測凝聚態是如何進行的。這就是我們怎樣將時間轉化為距離的。」
凝聚態激發的光線與激光相似。T?rm? 教授解釋道：「我們能改變每個納米棒之間的距離，控制產生玻色-愛因斯坦凝聚態，還是形成普通激光。它們兩個是密切相關的現象，區分它們對於基礎研究來說很重要。它們也有望帶來不同類型的技術應用。」
激光和玻色-愛因斯坦凝聚態都可以產生明亮光束，但是它們產生的光線相干性不同。這些會相應地影響光線調諧方式，從而滿足特殊應用的要求。
價值
這些凝聚態越容易製造，就越容易為新型技術應用，開闢更多振奮人心的方案。舉例來說，這項技術有望帶來一種尺寸非常小、信息處理速度非常快的新型光源。這種新型凝聚態除了有望產生極短的光脈衝，還可以提供更快速的信息處理和成像技術。
關鍵字
物理、光學、光子、電子
參考資料
【1】http://www.aalto.fi/en/current/news/2018-04-16-006/
【2】Tommi K. Hakala, Antti J. Moilanen, Aaro I. V?kev?inen, Rui Guo, Jani-Petri Martikainen, Konstantinos S. Daskalakis, Heikki T. Rekola, Aleksi Julku, P?ivi T?rm?.Bose–Einstein condensation in a plasmonic lattice. Nature Physics, 2018; DOI: 10.1038/s41567-018-0109-9
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