結合光和物質，科學家合成「二重身」粒子

新聞 07-21

宇宙中每一種原子都有一個獨特的「指紋」：它只吸收和發射與其電子軌道相匹配的特定能量的光。科學家可以通過這個「指紋」，來檢測識別原子的種類。例如，外太空的一個氫原子所吸收光的能量大小和地球上一個氫原子吸收的能量是完全相同的。

物理學家們已經知道電磁場如何操縱原子的特徵「指紋」，每種原子吸收的光的能量數值通常是一個常數。然而，來自芝加哥大學的研究者日前在Nature發表了他們的最新研究成果，挑戰了這個原子的本徵特性。他們通過用激光來振蕩粒子的外層電子，創造出一種混合粒子，使得原子除了可以吸收其本徵能量，還能吸收新的能量的光，具有部分原子屬性和光子屬性，有著大量的新行為。

這個研究屬於喬納森·西蒙副教授實驗室一項大型研究項目的一部分。西蒙實驗室試圖打破物質和光之間的壁壘，來研究它們的基礎性質。研究結果預期不僅在量子水平上研究學習材料的行為，還可以在未來幫助創造更強大的計算機和建立幾乎「堅不可摧」的量子通信。

該項研究試圖讓光具有物質特性的一個步驟是，讓單個光束，即光子，像物質一樣相互作用。通常光子以光速運動，並且不會發生相互作用。

領導該研究團隊的博士後 Logan Clark 表示：「為了讓光子之間能相互碰撞，我們使用原子來做中介。但我們立馬就遇到一個問題，因為光子只會和那些電子軌道在特定能量的原子作用。所以我們猜想：我們可不可以給這些原子『拷貝』一個我們想要的能量的電子軌道？」

Clark 在讀博期間，已經研發出通過振蕩原子從而在量子水平操縱物質的技術，被稱為「Floquet 工程」。通過該技術振蕩原子可以自然地讓原子產生多種不同能量的量子態副本。Clark 表示：「我們當時的研究目標並不是為了讓原子產生多種能量的量子態，這算是副產品。但正好在這次研究，我們可以專門通過振蕩電子來產生特定的能量的電子軌道。」

通過精準改變激光場的強度，調整到能與原子電子軌道共振的頻率，該團隊可以改變電子的軌道。周期性地改變激光場強度，可以產生目標的電子軌道副本。