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日志

 
 

科学家发现光可能存在的全新形态  

2016-08-18 13:20:43|  分类: 科学研究(揭秘、 |  标签: |举报 |字号 订阅

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科学家发现光可能存在的全新形态 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 

编者按:光可能是人类最熟悉却又最陌生的东西了。光不仅仅是为我们区分了白昼和黑夜而已:因为有了光,我们的眼睛才没有沦为装饰品;因为有了光,植物才能合成供养地球上整条食物链的有机物。

光是如此重要,以至于“上帝创世”时做的第一件事就是说:“要有光。”

然而,翻开一下人类对光的研究史,就会发现其实我们对光本身所知甚少。我们知道,光是波粒二象性的,光的速度按照狭义相对论的规定是绝对的,也意味着,铁轨边的手电筒射出的光和时速300公里/小时的高铁上的手电筒射出的光速度是一样的,等等。

然而,为什么光会具有这些性质,却让最顶级的物理学家也一筹莫展。我们甚至不知道,我们为什么不知道。

最近,理论物理学家们对于光又有了新的发现,他们经过建模后的计算结果,推断出光可能具有一种全新的形态,相关的论文发表在了8月5日的《自然·通讯》(Nature Communication)上。

最新研究显示,光与单电子结合后,会产生一种全新形态的光,这种光将同时具备电子和光的特性。

根据帝国理工学院(Imperial College London)科学家们的研究,光与电子的耦合可能带来一种全新的特性:光子工作电路,这将完全不同于现在常见的电子电路。

这种全新的耦合形式将帮助科学家们在可宏观观测的条件下,进行量子物理相关现象的研究。众所周知,量子物理主要适用的对象是尺寸原子的颗粒。 

科学家发现光可能存在的全新形态 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 

光被困在拓扑绝缘体纳米颗粒表面的假想图。图片来源:Vincenzo Giannini

在常规材料中,光与电子的相互作用在材料表面和内部都有发生。但使用理论物理原理建模后发现,基于光和拓扑绝缘体*材料的性质,在它们相互作用时,光可以只与位于材料表面的一个电子发生相互作用。

这将创造出一种同时具备光和电子某些特性的耦合体。举例而言,光是直线传播的,但与电子相结合后,将传播方向将会参照电子的运动轨迹,比如沿材料表面传播。

在光与电子耦合的相关研究中,文森佐·吉安尼尼(Vincenzo Giannini)博士和他的同事们对拓扑绝缘体纳米颗粒(topological insulator nanoparticle)周围的各种作用进行了模拟,纳米粒子的直径在0.0000001米以下。

吉安尼尼博士的模型显示,除了光会具备电子特性,并绕着纳米粒子循环运动以外,电子也会呈现某些光的特性。

通常情况下,电路中电子是沿着材料运动的,只有在遇到材料有缺陷时才会停止。然而,吉安尼尼博士的团队发现,在他们的模型中,即便纳米粒子表面存在瑕疵,在光的帮助下,电子依旧可以正常前进。

如果这一特性能被用于光子电路,这将使电路更加稳定,极大增强其抗干扰和抗物理缺陷的能力。 

科学家发现光可能存在的全新形态 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客

图片来源:www.nanowerk.com

吉安尼尼博士说:“该研究成果将对我们对于光的认知产生重大影响!拓扑绝缘体的发现不过是十年前的事,但已经为我们展现了可供研究的新现象,并且为探索某些重要物理学概念提供了全新的方法。”

吉安尼尼博士还补充道,以现有技术手段,实际观测到实验模型中的现象,应该没什么问题(拓扑绝缘体纳米颗粒已经能够在实验室小批量生产),研究团队目前正在与实验物理学家们合作,来对实验结果进行实践。

这支来自帝国理工学院的研究团队相信,这种新形态光的形成规模可以被放大,这会使得相关的物理现象更容易被观测到。

目前,量子现象(quantum phenomena)只能在微观层面、或超低温条件下被观测到,但来自帝国理工学院新的研究成果,将使科学家们能在室温下对量子现象进行研究——最直接的例子就是量子计算机,由于量子纠缠态容易消失,因此需要液氦冷却,在接近绝对零度,即零下273.15摄氏度的温度下工作。

若能实现量子物理现象的宏观观测,将会大大加速量子力学理论等发展。其意义将大大超过新发现一种光的形态本身。

*编者注:拓扑绝缘体是一个内部,或者说主体材料绝缘,但是表面有导电可能性的特殊材料。拓扑绝缘体常见于纳米颗粒中,本文的相关研究中,科学家们使用的是硒化铋(Be2Se3)纳米颗粒。

下图中显示的是普通的金属、半导体和绝缘体材料的能量带隙。一般的理解就是,当带隙为零,即价电子带(valance band)和导电带(conductionband)重合时,材料就导电,当带隙非常大时,材料即绝缘。 

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金属、半导体、绝缘体材料的带隙对比 图片来源:Pieter Kuiper

对于拓扑绝缘体,它的内部性质与普通绝缘体完全相同,它的表面则存在着位于带隙之间的导电态,因此在特定条件下,电子可以沿着拓扑绝缘材料的表面移动。


 
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理想拓扑绝缘体的带隙 图片来源:A13ean

但拓扑绝缘体的独特之处并不在于表面可导电本身,而是它表面的导电态是受到时间反演对称(time-reversal symmetry)保护的。这种对称的简单解释就是在时间反演 T:t到-t运算下,物理系统所保有的对称性。

由于在大多数情况下,受到热力学第二原理,即熵增原理的限制,我们见到的大多数情况都是时间反演不对称的。因此,受时间反演对称保护的表面导电态,是拓扑绝缘体的最大特征。受保护状态只要对称性存在,就不会受到缺陷等外界因素的干扰。

时间反演对称(time-reversal symmetry)这个拓扑绝缘体的最大特性最早由欧力格·潘克拉托夫(Oleg Pankratov)等人在1987提出预测。2006年,马库斯·柯尼希(Markus Koenig)等人按照预测,在被夹在两片碲化镉材料中的碲化汞薄膜中观测到了这个现象。

参考:Nature Communication,Solid State Communication,Science,PhysicsReview Letters

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