通過「聆聽」 科學家首次測量光的動量

2020-11-26 央廣網

  據物理學家組織網近日報導,光具有動量的想法並不新鮮,但光與物質如何相互作用的確切性質,在近150年來一直是個未解之謎。一個國際科研團隊在日前出版的《自然·通訊》雜誌上首次公布了測量光動量的新技術,這項突破不僅有助於揭示這一謎團,也可能為太空旅行帶來革命性突破。

  德國著名天文學家、數學家約翰內斯·克卜勒於1619年首次提出,來自太陽光的壓力可能決定了彗星的尾巴總是指向遠離太陽的方向。1873年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋爾預測,輻射壓力是由光的電磁場中的動量產生的。動量是與物體的質量和速度相關的物理量,指運動物體的作用效果。

  最新研究合作者、加拿大不列顛哥倫比亞大學奧卡納甘校區工程學教授肯尼思·周(音譯)說:「我們之前一直沒有確定這種動量是如何轉化為力或運動的。因為光攜帶的動量非常小,所以,我們沒有足夠靈敏的設備來解決這一問題。」

  在新研究中,他和來自斯洛維尼亞和巴西的科學家設計了一種新裝置,來測量光子之間微弱的相互作用。

  他們製作了一面配備聲學傳感器和隔熱層(能將幹擾和背景噪音降至最低)的鏡子。然後,朝鏡子發射雷射脈衝,並使用聲學傳感器來探測雷射穿過鏡子表面時產生的彈性波,「就像觀察池塘裡的漣漪」。

  肯尼思·周說:「我們不能直接測量光子的動量,因此另闢蹊徑:通過『聆聽』穿過鏡子的彈性波來探測它們對鏡子的影響。我們能藉由這些波的特徵追蹤到光脈衝本身的動量,這為最終界定和模擬光動量如何存在於物質內部打開了大門。」

  研究人員說,新發現有助於他們進一步了解光的基本特性。此外,對輻射壓力的理解也可以應用於諸多領域。

  肯尼思·周說:「想像一下乘坐由太陽帆驅動的星際遊艇前往遙遠的星球;或在地球上研發可組裝微型機器的光學鑷子。目前,我們還沒有走到那一步,但新發現是重要的一步。」(記者劉霞)

相關焦點

  • 科學家首次完善愛因斯坦理論,光子動量失蹤難題被解答
    根據愛因斯坦的觀點,光由光粒子組成,如果光子的動量足夠大,那麼就能將金屬原子中的電子剔除,即物理學中著名的光電效應,但在這個過程中,光子動量又去了哪裡,難道失蹤了?愛因斯坦本人已經不在人世了,所以這個難題半個多世紀來一直無人解答。今天來自歐洲法蘭克福歌德大學的物理學家博士生亞歷山大·哈通找到了答案,首次完善了愛因斯坦的光電效應理論,算是超越了愛因斯坦。
  • 科學家首次完善愛因斯坦理論,解答光子動量失蹤難題
    根據愛因斯坦的觀點,光由光粒子組成,如果光子的動量足夠大,那麼就能將金屬原子中的電子剔除,即物理學中著名的光電效應,但在這個過程中,光子動量又去了哪裡,難道失蹤了?愛因斯坦本人已經不在人世了,所以這個難題半個多世紀來一直無人解答。今天來自歐洲法蘭克福歌德大學的物理學家博士生亞歷山大·哈通找到了答案,首次完善了愛因斯坦的光電效應理論,算是超越了愛因斯坦。
  • 意科學家首次直接測量重力曲率
    意科學家首次直接測量重力曲率 2015-03-19 科技日報 房琳琳 【字體:大  很多年來,科學家已經發明了很多種複雜的方法來測量重力,最新的方法是利用原子幹涉法。這種方法通過原子的量子機械波動性質,使相關距離測量具有較高精度。直到現在,研究人員已經能夠測量隨高度增加而變化的重力,在幾英尺的範圍內都能測出重力漸變。  新的研究成果能測量由大質量引起的引力變化,這種變化梯度被稱為重力曲率。
  • 中科大完成氦原子雙激發動量依賴特性的實驗測量
    人民網合肥11月19日電 目前,中國科大徐克尊教授領導的原子分子物理實驗組在氦原子雙激發過程動力學關聯效應的研究上取得重要成果,首次測量了各種光學允許和光學禁戒的雙電子激發過程的動量轉移依賴特性,定量地給出各種躍遷參數,並對雙激發態的波函數做出了檢驗,從而為研究原子分子中電子關聯作用機制提供了新的實驗手段。
  • 科學家首次測量到反物質間作用力
    由中科院上海應用物理所研究員馬餘剛與美國布魯克海文實驗室研究員唐愛洪領銜的STAR合作組的中外科學家,在位於紐約長島布魯克海文國立實驗室的相對論重離子對撞機(RHIC)上,首次測量到反質子—反質子間的相互作用力。 今天凌晨,這項重要研究成果在線發表於《自然》雜誌。開啟反物質研究新篇章
  • 廈門大學陳理想團隊:徑位置與徑動量—光子的徑向新自由度
    最近,廈門大學陳理想團隊利用光場調控技術,首次實驗揭示了自發參量下轉換雙光子的徑位置和徑動量所具有的新EPR量子關聯。該工作表明,除了角位置與角動量,光子的徑位置與徑動量這一對共軛自由度可望在光學微操控、量子信息處理等領域具有重要的應用前景。
  • 光子動量之謎在150年之後終於被揭示?
    具有動量的想法並不新鮮,但是在過去的150年裡,光與物質相互作用的確切本質一直是一個謎。Raab;Johannes Kepler Observatory,1997年4月4日直到1873年,麥克斯韋才預言,光是一種電磁輻射,而這種輻射壓正是來自於光自身的電磁場中存在的動量。當電磁波發射到物體表面時,電磁波的動量與物體動量相互交換,從而產生作用於物體表面的壓力,也就是輻射壓。
  • 廈門大學陳理想團隊: 徑位置與徑動量—光子的徑向新自由度
    最近,廈門大學陳理想團隊利用光場調控技術,首次實驗揭示了自發參量下轉換雙光子的徑位置和徑動量所具有的新EPR量子關聯。科學家們也先後基於線位置和線動量、角位置和角動量這兩對共軛力學量分別實驗實現並演示了糾纏雙光子的EPR量子關聯。從數學坐標系的對稱性角度出發,陳理想教授等人一直認為,光場的徑位置和徑動量這兩個徑向自由度也理應構成一對共軛量。但是,歷史上關於光子的徑動量算符及其本徵態的定義卻一直存在爭議。這主要是因為動量算符的徑向分量,即
  • 【科技日報】我國首次觀測到楊氏雙縫實驗中非局域的動量傳遞
    在楊氏雙縫實驗中,利用玻姆動量概率分布來量化楊氏雙縫中「which-way」測量對光子動量產生的擾動,當人們對光子進行「which-way」測量來識別它具體從哪個狹縫通過時,不可避免地會破壞幹涉條紋的可見度。然而,關於「which-way」測量是否通過擾動粒子的動量來破壞楊氏雙縫幹涉這一問題一直存在激烈爭論。
  • 我首次觀測到楊氏雙縫實驗中非局域的動量傳遞
    記者從中國科學技術大學獲悉,該校郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時等人與其合作者,首次實驗觀測到非局域的動量傳遞,驗證了光子動量改變量與幹涉條紋可見度之間的量化關係。該研究成果日前發表在國際權威期刊《科學·進展》上。
  • 中國科大首次觀測到楊氏雙縫實驗中非局域的動量傳遞
    新安晚報 安徽網 大皖客戶端訊 記者從中國科學技術大學獲悉,該校郭光燦院士團隊在量子物理基本問題研究中取得新進展,該團隊李傳鋒、許金時等人與其合作者利用玻姆動量概率分布來量化楊氏雙縫中「which-way」 測量對光子動量產生的擾動,首次實驗觀測到非局域的動量傳遞,驗證了光子動量改變量與幹涉條紋可見度之間的量化關係
  • 科學家測量出有史以來最短時間間隔:僅為247仄秒
    據外媒報導,一組科學家測量了有史以來最短的時間單位,測量了一個光粒子穿過氫分子所需的時間。科學家測得的最短時間間隔為247仄秒(zeptosecond),即2.47X10^-19秒。研究人員在2016年能夠以增量的方式測量時間,最小到850仄秒。
  • 科學家測量出有史以來最短時間間隔:僅為247仄秒
    據外媒報導,一組科學家測量了有史以來最短的時間單位,測量了一個光粒子穿過氫分子所需的時間。科學家測得的最短時間間隔為247仄秒(zeptosecond),即2.47X10^-19秒。研究人員在2016年能夠以增量的方式測量時間,最小到850仄秒。
  • 首次實現:電子門控效應的電子結構可視化!測量電子的能量和運動
    本文參加百家號科學#了不起的基礎科學#系列徵文科學家首次將微電子設備的電子結構可視化,為微調高性能電子設備打開了大門。華威大學(University of Warwick)和華盛頓大學(University of Washington)物理學家開發了一種技術,可以在操作由原子厚度,所謂二維材料製成的微電子設備時測量電子能量和動量。利用這些信息,可以創建材料的電學和光學特性可視化表示,以指導工程師最大化在電子元件中的潛力。這項由實驗主導的研究發表在《自然》上,還可能為二維半導體鋪平道路。
  • 接棒愛因斯坦,德物理學家今揭開光子動量奧秘,或解決30餘年爭議
    依靠新的設備,他們的實驗展示出光子和電子相互作用後動量是如何分布的,並通過靈敏的測量證實了動量的預期守恆,從而證實了相對論。至此,光電效應的發現、理論解釋和當代的實驗證實,均被德國科學家或曾經的德籍科學家(愛因斯坦出生在德國)所包攬。
  • 科學家首次測量反物質光譜,檢驗物理學最基本的原理
    最近《Nature》雜誌上發表的一篇文章中,負責進行ALPHA實驗*的團隊報告了對反物質原子光譜的首次測量。這個成就開創了高精度研究反物質的全新時代。這是歐洲核子中心(CERN)研究反物質的科學家20多年的工作成果。*AlPHA是一個位於歐洲核子中心的國際合作實驗,主要任務是研究捕獲的反氫原子。
  • 科大量子精密測量取得重要進展
    這是自從2000年實現量子點單光子源後,科學家通過20年的努力首次在該體系直接觀測到強度壓縮,為基於單光子源的量子精密測量奠定了基礎。單光子源是光量子信息技術中的關鍵器件,也是量子精密測量的重要資源。量子精密測量中的一個重要方向是減少由於探測有限粒子而引起的統計漲落——散粒噪聲。壓縮態是壓制散粒噪聲的另一量子資源。
  • 反物質原子光譜測量首次完成
    光照射可以激發原子,當原子恢復至基態時會發光,光的頻率分布形成,可以借用其光譜精確地測量出原子屬性,這也是光譜學的基本原理。但是,反物質難以產生和捕捉,因為反物質一旦與物質接觸就會湮滅,這為科學家測量其屬性帶來挑戰。  歐核中心反質子減速器的最新進展,讓研究人員得以捕捉和測量反質子與反氫原子。
  • 中美科學家首次測量了日冕的全球磁場
    >日冕圖像上疊加的日冕磁場強度圖北京大學,美國國家大氣研究中心以及諾森比亞大學的研究人員最近首次測量了太陽大氣最外層日冕的全球磁場不過,到目前為止,對太陽磁場的常規測量只在其表面,也就是太陽上被稱為光球的區域實現。
  • 光壓|Light pressure
    理解Ashkin的雷射陷阱就必須理解輻射壓,也俗稱光壓。光壓(light pressure)是指光照射到物體上對物體表面產生的壓力。這裡我要八卦一下,遠在1748年歐拉即已指出光壓的存在,可直到1901年由俄國物理學家列別捷夫首次測量出來。歐拉這位數學天才竟然還預測出了光壓的存在,如果他沒有不幸失明的話會不會在物理學界成為和牛頓一樣的奠基人呢?