用一缸水，他們發現光子像超導電子一樣配成了一對兒

原文以Photons pair up like superconducting electrons為標題

發布在2017年10月20日的《自然》新聞上

原文作者：Elizabeth Gibney

一項發現令人不禁想知道光的「超級流」會是怎樣的。

超導性（電子可以零電阻地通過特定材料的現象 ）已經使醫學和出行等在某些方面發生了革命性的變化。現在，一個有趣的實驗展示了與超導背後原理同樣的行為 — 但是是在光的粒子中。這一發現讓物理學家們不禁思考二者之間有多大的可比性。

光在水中行進時，光子會相互配對，就如同超導體中的電子一樣。

來源：GIPhotoStock/SPL

美國羅徹斯特大學的量子物理學家Nick Vamivakas雖然沒有參與研究，但是他說：「真是令人激動，光散射、凝聚態物理和量子光學之間產生了一個美麗的連接。」

傳統的超導性依賴於電子「Cooper對」的形成，它們穩定了彼此的路徑並允許電流不受阻地流動。它的發現催生了強大的超導磁體的發展，現在超導磁體已被廣泛應用於醫學掃描儀、粒子加速器、風力渦輪機和磁懸浮列車。

巴西的物理學家已經發現了光子類似配對的證據。在室溫下，當光線通過包括水在內的一系列透明液體時會發生該過程，不過觀察起來有很大的難度。里約熱內盧聯邦大學（UFRJ）的理論物理學家André Saraiva說：「這種配對不僅是可能的，而且是無處不在的。」他作為共同作者撰寫的一篇論文已經被 《 物理評論快報》 接受發表。

該團隊仍在探索上述過程與超導性有多大的可比性。由於光子與環境的相互作用比電子要少，所以類似的光子對不太可能產生像電子在電流中那樣顯著的效果。但是這項研究已經引發了人們的種種推測：光子的「超級流」有何特性，可能帶來哪些應用。

配對

這一發現源於巴西米納斯吉拉斯聯邦大學（UFMG）Ado Jorio領導的研究——光如何在材料內部散射。發生散射時，光子損失能量，傳遞給材料中振動的原子。如果第二個光子立即吸收了這部分振動能量，那麼這兩個光子會間接地相連，一個光子將獲得另一個光子失去的能量。

Jorio在UFRJ凝聚態系描述自己的研究時，激發了物理學家Belita Koiller的一個想法。她注意到這個過程（一個光子引起的振動影響另一個光子）和超導中的Cooper對的形成存在相似性。在Cooper對的形成過程中，高速電子引起原子晶格畸變，允許一個電子吸引另一個電子。

在這兩種情況下，配對都是粒子周圍原子運動的結果。然而在超導體中，這種振動是量子力學所允許的瞬時類型，被稱為虛擬聲子。Koiller和她的團隊想知道：這是否也適用於光？

巴西的物理學家使用濾波器來僅僅捕獲由被稱為虛擬聲子的量子振動所產生的光子對。

來源：Cassiano Rabelo

首先，UFRJ小組從數學上表明，如果光子也通過虛擬聲子相互作用，它們的行為將與超導體中的Cooper對完全匹配。然後UFMG的研究人員通過在室溫下向水和其他七種透明液體照射激光脈衝來尋找證據。他們使用探測器來檢查出現的光子，尋找同時到達的光子對，其中一個光子已經紅移（失去能量），另一個藍移（獲得能量）。

如果到達的光子對是由虛擬聲子產生的，而不是由於標準的散射過程，那麼光子的能量轉移應該太小而不可能從經典允許的振動中獲得，所以團隊使用一個濾波器來僅僅讓這個範圍的能量轉換通過。他們將看到的結果同兩種能量轉換都被允許的情況進行了比較。

在這兩種情況下，他們看到光子對的速率相同，這表明這些光子對必然由虛擬過程產生。信號很小：每秒鐘約1萬萬億個光子通過物質泵浦，他們看到了10對，而他們預計可能會看到每10秒鐘一對。

英國劍橋大學的物理學家Andrea Ferrari認為這是一個有趣的發現，不過他警告說這個解釋需要其他小組的驗證。「我要說這不是結束，而一定是開始。」

有趣的可能性

Saraiva表示，存在類似Cooper對的光子對的可能性已經引起了量子光學和凝聚態物理學家的注意，這主要是因為他們想要了解與超導的類比能夠延伸多遠。就事論事而言，Cooper對是各種各樣有趣的效應的背後原因— 但到目前為止，該組還沒有數據提示這是否同樣適用於光。Saraiva說：「這些都是我們熱切想要回答的重要問題。」

如果團隊可以提高光子對的數量，那麼也可能帶來一些應用。利用配對的光子與物質相互作用的方式，有可能揭示出物質當前無法看到的特性。而且如果這些粒子可以被證明是超越時間而相互關聯的，即它們的量子特性是內在相聯的，則室溫水可以是一個非常廉價的「糾纏」光子來源。糾纏光子對於量子密碼學和量子計算至關重要。

物理學家們也不禁要問，這些光子對是否會形成類似超電流那樣的超級流：如果可以，則光在材料中傳播時可能會分散得更少，這樣舉例來說可以帶來更高效的量子通信。配對的光子甚至可能使材料更透明嗎？Saraiva說在現階段，我們還不知道答案。

就目前而言，這一切都是純粹的猜測。但是，Vamivakas說將凝聚態物理學的概念映射到光學研究上，一般都可以產生有用的技術。例如，用來調控光子如何流過材料的光子晶體，是從晶格如何影響物質中的電子的見解中產生的。Vamivakas說，當他第一次聽到這項最新研究時，他對學生說：「嘿，我們怎麼沒想到這個？」

如果不是因為所涉實驗設備非常簡單，這個發現可能根本不會發生。自2013年以來，巴西的科研經費已經減少了60％，許多實驗室無法維持設備運轉。Saraiva說：「我們很幸運，不用藉助任何特殊設備就發現了一個如此重要的現象，但我們不能指望每次都有這樣的運氣。」

Nature|doi:10.1038/nature.2017.22868

來源：Nature自然科研

編輯：霧裡熊

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