用光波加速超流，進入量子世界

2020-08-28 科學新聞前沿

這幅插圖顯示了超電流的光波加速，這讓研究人員可以接觸到一類新的量子現象。出處：王繼剛/愛荷華州立大學

科學家們正在利用光波來加速超電流，並獲得量子世界的獨特性質，包括有朝一日可能應用於高速量子計算機、通信和其他技術的禁光發射。

艾奧瓦州立大學(Iowa State University)物理學和天文學教授、該項目負責人、美國能源部艾姆斯實驗室(Ames Laboratory)資深科學家王繼剛(音譯)表示，科學家們在超流中看到了意想不到的東西。超流是在超低溫下沒有阻力地穿過材料的電流，打破了對稱性，應該是傳統物理定律所禁止的。王繼剛是美國能源部艾姆斯實驗室(Ames Laboratory)的資深科學家，也是該項目的負責人。

王的實驗室率先使用太赫茲頻率的光脈衝-每秒數萬億個脈衝-在超流中加速電子對，即所謂的庫珀對。在這種情況下，研究人員跟蹤了加速的電子對發出的光。他們發現的是「二次諧波光發射」，也就是用來加速電子的入射光頻率的兩倍。

王繼剛正在使用太赫茲雷射閃光作為控制旋鈕，以加速超電流。 來源：克里斯多福·甘農/愛荷華州立大學

王說，這類似於顏色從紅色光譜轉移到深藍色。

「這些二次諧波太赫茲輻射應該在超導體中被禁止，」他說。「這違背了傳統觀念。」

佩拉基斯說：「禁光讓我們能夠接觸到一類奇異的量子現象--也就是原子小尺度上的能量和粒子--稱為被禁止的安德森偽自旋進動。」

(這些現象是以已故的菲利普·W·安德森(Philip W.Anderson)的名字命名的，安德森是1977年諾貝爾物理學獎的共同獲得者之一，他對玻璃等缺乏規則結構的無序材料中的電子運動進行了理論研究。)。

王最近的研究是通過一種名為量子太赫茲光譜學的工具來實現的，這種工具可以可視化並引導電子。它使用太赫茲雷射閃光作為控制旋鈕來加速超電流，並獲得新的和潛在有用的物質量子態。國家科學基金會支持該儀器的開發，以及目前對禁光的研究。

科學家們說，對這一現象和其他量子現象的了解可能有助於推動重大創新。

阿拉巴馬州伯明罕分校的佩拉基斯說：「就像今天的千兆赫電晶體和5G無線路由器在半個多世紀前取代了兆赫真空管或熱離子閥一樣，科學家們正在尋找設計原則和新穎設備的飛躍，以實現量子計算和通信能力。」「想方設法控制、獲取和操縱量子世界的特殊特徵，並將它們與現實世界的問題聯繫起來，這是如今一項重大的科學努力。國家科學基金會(National Science Foundation)已將量子研究納入其對我們國家至關重要的未來研發的『十大想法』中。」

超導概念圖

王說：「超導態對稱性破缺的測定和理解是基礎量子物質發現和實用量子信息科學的新前沿。二次諧波產生是一個基本的對稱探針。這將有助於發展未來的量子計算策略和高速度、低能耗的電子產品。」

然而，在他們能夠到達那裡之前，研究人員需要對量子世界進行更多的探索。王說，超導體中這種被禁止的二次諧波光發射代表了「量子物質的一個基本發現」。

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