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光﹐請留步

2011/02/08 | |

Original publish date:Mar 28, 2003

編輯 Agape 報導

在室溫下,紅寶石可以用來大幅度地降低光速。這項技術可望應用於通訊系統的設計。

‘光’ ﹐是物理學中令人難以捉摸的一個現象。它的粒子-波動二相性﹐曾經是令科學家們想不透的問題。此外﹐到目前為止﹐它在真空中行進的速度(C~3e8 m/s)﹐也沒有其它的物理量可以與其相比。由於它在介質中行進的速度(群速度﹐group velocity, Vg)﹐會受到該物質折射係數(n)的影響而變慢(Vg=C/n)﹐科學家們從很早就在思考﹐如何能夠將光的速度﹐減慢到可以與其它實驗配合的程度。

由於當光的速度受到介質影響而變慢的同時﹐其被介質所吸收的程度也特別嚴重﹐使得實驗無法準確地量測到這個現象。近年來﹐科學家們採用一項名為EIT(electromagnetically induced transparency) 的技術﹐達成在極低溫(接近絕對溫度零度) 的條件下﹐雷射光在特殊物質的氣體中﹐行進速度被減慢到8-45m/s的結果。在最近的Physical Review Letters中﹐羅徹斯特大學光學中心的Matthew Bigelow與所屬的研究小組﹐則報導了在室溫下﹐利用spectral hole burning的效應﹐在紅寶石中達成將光速減慢到約57.5m/s的研究成果。

所謂的spectral hole burning效應﹐是在某些物質中﹐存在著一組能階﹐包含一個基態與一個受激態﹐在其間有一介穩態(metastable)的能階。當有入射光將電子由基態激發至受激態時﹐受激發的電子會在幾個picosecond(一兆分之一秒)的時間內躍遷到介穩態。在經過約長達幾個milisecond(千分之一秒)的時間後﹐電子才會回到基態﹐並釋放出波長與入射光波長相近的光子。而在該物質的吸收/穿透光譜上﹐在特定的波長附近﹐便會形成一個空區﹐意味著該特定波長的光無法通過。並且該頻譜空區的頻寬﹐大約等於電子從介穩態降回基態時間的倒數。

Bigelow等人的實驗﹐是使用波長514.5nm的氬離子雷射作為入射光源﹐利用脈衝或正弦波透過光電晶體對雷射光作波幅的調制。然後將調制後的光通過焦距為40cm的透鏡﹐射入一長為7.25cm的紅寶石。最後﹐通過紅寶石的光﹐連同參考訊號﹐同時顯示在數位示波器上以比較雷射光在紅寶石中﹐究竟被延遲了多久。他們發現﹐在使用功率為0.25W﹑調制頻率60Hz時﹐可以得到達1.26ms的延遲。代表在7.25cm長的在紅寶石中﹐雷射光要花1.26ms的時間來行進﹐所以光在介質中的速度﹐被減低到僅有約58m/s。他們同時發現﹐光在紅寶石中速度減慢的程度﹐也會受到調制頻率﹑入射光功率﹑以及入射光強度的影響。並且實驗的數據﹐與相關理論所預測的結果十分吻合。

雖然Bigelow等人的實驗結果﹐並沒有為光速的降低創下新的記錄。但是﹐由於他們的實驗在室溫下就可達成﹐這對於將這項技術應用在現有的光電元件或通訊系統上﹐提供了令人樂觀的可能性。看來﹐科學家們在與光速賽跑的記錄上﹐又往前跨了一步。

原始論文:

Nature Science Update: Ruby slows light at room temperature

Observation of Ultraslow Light Propagation in a Ruby Crystal at Room Temperature, Matthew S. Bigelow et al., Physical Review Letters 90, 113903 (2003)

參考來源:

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