晶体中的"伪引力"也可以像黑洞一样弯曲光线

晶体中的"伪引力"也可以像黑洞一样弯曲光线艺术家对黑洞的印象以及它的引力影响光的方式——现在已经在晶体中进行了模拟美国宇航局戈达德太空飞行中心/JeremySchnittman爱因斯坦广义相对论的怪异之处之一是光受到时空结构的影响，而时空结构本身又被引力扭曲。这就是为什么质量极高的物体（如黑洞或整个星系）会对光造成如此严重的破坏，弯曲其路径并放大远处的物体。在最近的研究中，人们预测应该有可能在光子晶体中复制这种效应。这些结构用于控制光学设备和实验中的光，它们通常是通过将多种材料排列成周期性图案而制成的。从理论上讲，这些晶体的扭曲可以使光波偏转，其方式与宇宙尺度的引力透镜非常相似。这种现象被称为伪重力。在这项新研究中，研究小组将这个想法在硅制成的光子晶体中进行了测试。他们扭曲了晶体结构，使得原本均匀分布在200微米的网格单元在表面上变得越来越变形。然后，将太赫兹范围内的光波激光射入晶体。该设备在激光器输入端口的另一侧有两个输出端口，一个位于输入端口上方，一个位于输入端口下方。如果伪重力不起作用，激光将沿直线传播，不会从任何一个端口射出——但在扭曲的晶体中，光波成功地向下部端口弯曲。实验装置，涉及扭曲光子晶体(DPC)，下图说明了正常晶体和扭曲oneK中会发生什么研究小组表示，这项技术可能是在光学系统和其他设备中操纵光的一种非常有用的方法，并且可以为相关物理学的研究提供信息。该研究的作者之一MasayukiFujita副教授表示：“这种太赫兹范围内的平面内波束控制可以在6G通信中得到利用。在学术上，研究结果表明光子晶体可以利用引力效应，在引力子物理领域开辟新的途径。”该研究发表在《物理评论A》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1390443.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1390443.htm

超乎寻常的速度：光子时间晶体将掀起光学革命

超乎寻常的速度：光子时间晶体将掀起光学革命研究人员制造出了近可见光谱的光子时间晶体，这可能会给光科学应用带来革命性的变化。这一突破扩大了人们以前对光子时间晶体的认识范围，以前人们只能在无线电波中看到光子时间晶体。该研究的作者认为，在光域中维持光子时间晶体的能力可能会对光科学产生深远影响，使未来真正具有颠覆性的应用成为可能。PTC是一种折射率随时间快速升降的材料，在时间上等同于光子晶体，其中的折射率在空间中周期性振荡，导致了珍贵矿物和昆虫翅膀的虹彩等现象。测量单周期时间折射的实验装置。资料来源：EranLustig等人只有当折射率的升降与相关频率电磁波的单周期一致时，PTC才是稳定的。在这项新研究中，第一作者、以色列海法以色列理工学院的莫德凯-塞格夫（MordechaiSegev）与合作者、美国印第安纳州普渡大学的弗拉基米尔-沙拉耶夫（VladimirShalaev）和亚历山德拉-博尔塔塞娃（AlexndraBoltasseva）及其团队，发送了波长为800纳米的极短（5-6飞秒）激光脉冲，穿过透明导电氧化物材料。这引起了折射率的快速变化，使用波长稍长（近红外）的探针激光束对这种变化进行了探索。当材料的折射率恢复到正常值时，探针光束迅速红移（即波长增加），然后蓝移（波长减少）。通过ITO样品的44fs探针脉冲的透射光谱图，适用于不同时间宽度的调制器脉冲。资料来源：EranLustig等人。每一次折射率变化所需的时间都微乎其微--不到10飞秒，因此也在形成稳定的PTC所需的单周期内。Segev说："晶体中被激发出高能量的电子一般需要十倍以上的时间才能弛豫回基态，许多研究人员认为我们在这里观察到的超快弛豫是不可能的。我们还不清楚它是如何发生的。"论文合著者Shalaev进一步指出，在光域中维持PTC的能力（如本文所展示的）将"开启光科学的新篇章，实现真正的颠覆性应用"。然而，我们对这些可能的应用知之甚少，就像20世纪60年代的物理学家对激光可能的应用知之甚少一样。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381543.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381543.htm

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）--一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：YunZhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频--一种将高频信号转换为低频信号的方法--是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至1平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生16GHz的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波--一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425719.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425719.htm

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面桑迪亚国家实验室和马克斯-普朗克研究所的科学家们已经开发出一种方法，它可以使用比平时简单得多的设置来生产量子纠缠光子网。其关键则是一个厚度只有纸的1/100的精确图案表面，它可以取代一屋子的光学设备。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1316551.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1316551.htm

科学家实现将单光子流转化为可以同时被检测到的光子对

科学家实现将单光子流转化为可以同时被检测到的光子对单个原子被激光激发后会散射出一个又一个光子。光学滤波器会从这些单光子流中去除某些颜色成分。这就使剩余的光子成为同时离开滤光器的光子对。资料来源：柏林洪堡大学物理系这对量子通信也很有用。研究小组现已在科学杂志《自然-光子学》（NaturePhotonics）上发表了他们的研究成果。1900年，马克斯-普朗克（MaxPlanck）提出了这样一个假设：光不能与原子等物质交换任意数量的能量，而只能交换某些被称为量子的离散"能量包"。五年后，阿尔伯特-爱因斯坦又提出，这些量子并不仅仅是一个计算量，光本身就是由量子组成的，也就是我们现在所说的光子。事实上，现在的光电二极管灵敏度足以记录单个光子。在持续照明的情况下，这些光电二极管不会产生稳定的电信号，而是会产生一系列短电流脉冲。每个电流脉冲都表示检测到一个光子。如果被激光束激发出荧光的单个原子的光照射到这种高灵敏度的光电二极管上，则永远不会同时检测到两个光子。在这方面，单个原子发出的荧光与激发它的激光不同，因为激光中的光子确实是同时出现的。但是，如果两个激光光子同时照射到一个原子上，原子只会吸收一个光子，而让第二个光子通过。随后，原子会将吸收的激光光子向随机方向辐射，只有这样它才能吸收另一个激光光子。换句话说，单个原子一次只能散射一个光子，单个原子的荧光中的光子撞击探测器时就像珍珠串一样排成一排。DAALI项目和其他量子技术研究都利用了这一特性。例如，在量子通信中，自然原子或人造原子发出的单光子被用于防窃听通信。光子对的惊人发现不过，洪堡大学的研究团队现在已经能够利用单个原子的荧光来展示一种非常令人惊讶的效果。当科学家们用滤光片去除光中的某种颜色成分时，单光子流就会转化为同时被检测到的光子对。因此，只要从单光子流中去除正确的光子，剩余的光子就会突然变成成对的光子。这种效果无法与我们日常生活中的感知相协调；如果你禁止一条街上所有的绿色汽车，剩下的汽车也不会突然成对地挨在一起行驶。此外，以前认为单个原子一次只能散射一个光子的观点似乎也被推翻了：如果通过合适的滤色镜观察，原子完全可以同时散射两个光子。大约40年前，巴黎国立高等师范学院的让-达利巴德（JeanDalibard）和塞尔日-雷诺（SergeReynaud）在他们关于原子散射光的理论研究中就预测到了这种效应。然而，直到现在，量子物理学家于尔根-沃尔兹（JürgenVolz）和阿诺-劳申博特尔（ArnoRauschenbeutel）领导的研究小组才在实验中证明了这一点。于尔根-沃尔兹说："这是一个绝妙的例子，说明当我们试图了解微观层面的过程是如何发生的时候，我们的直觉会在多大程度上让我们失望。"阿诺-劳申博特尔（ArnoRauschenbeutel）补充说："然而，这不仅仅是一种好奇心。事实上，产生的光子对是量子力学纠缠的。因此，在两个光子之间存在着爱因斯坦不愿相信的距离上的幽灵作用，例如，由于这种作用，人们可以传送量子态。"沃尔兹和劳申博特尔一致认为："单个原子非常适合作为这种纠缠光子对的来源，直到最近，几乎没有人会相信这一点。"事实上，所展示的这种效应可以实现纠缠光子对的光源，其亮度达到理论上可能的最大值，从而超越现有的光源。此外，这些光子对在本质上与发射它们的原子相匹配。这样，人们就可以直接将光子与量子中继器或量子门连接起来。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393305.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393305.htm

科学家用量子材料产生类似"3D眼镜"的视角将拓扑材料可视化

科学家用量子材料产生类似"3D眼镜"的视角将拓扑材料可视化研究人员利用X射线（图中绿色部分），在金属TbV6Sn6上创造出了三维电影般的效果。通过这种方法，他们成功追踪到了电子（图中的蓝色和黄色）的行为，并在理解量子材料方面向前迈进了一步。图片来源：JörgBandmann/ct.qmat)为了区分拓扑材料和传统材料，科学家们习惯于研究它们的表面电流。然而，电子的拓扑结构与其量子力学波特性和自旋密切相关。现在，这种关系已经通过光电效应得到了直接证明--在光的作用下，电子从金属等材料中释放出来。维尔茨堡ct.qmat的创始成员、该项目的理论物理学家之一乔治-桑焦万尼（GiorgioSangiovanni）教授将这一发现比作用3D眼镜来观察电子的拓扑结构。他解释说"电子和光子可以被量子力学地描述为波和粒子。因此，电子具有自旋，我们可以利用光电效应测量电子的自旋。为此，研究小组使用了圆偏振X射线光--具有转矩的光粒子。桑焦万尼详细解释道："当光子遇到电子时，量子材料发出的信号取决于光子是右旋还是左旋。换句话说，电子自旋的方向决定了左旋光束和右旋光束之间信号的相对强度。因此，我们可以把这个实验想象成3D电影院里的偏振眼镜，在那里也会使用不同方向的光束。我们的'3D眼镜'让电子的拓扑结构清晰可见"。由维尔茨堡-德累斯顿卓越研究小组ct.qmat（量子物质中的复杂性和拓扑学）领导的这一突破性实验及其理论描述，是从拓扑学角度描述量子材料特征的首次成功尝试。桑焦万尼指出了粒子加速器在实验中的重要作用，他说："我们需要同步加速器来产生这种特殊的X射线光，并创造出'3D电影'效果"。研究人员历时三年，终于取得了这一巨大成功。他们的起点是量子材料"Kagome"金属TbV6Sn6。在这一类特殊材料中，原子晶格混合了三角形晶格和蜂窝状晶格，其结构让人联想到日本的花篮编织。鹿目金属在ct.qmat的材料研究中发挥着重要作用。"在我们的实验同事开始同步加速器实验之前，我们需要模拟实验结果，以确保我们走在正确的轨道上。第一步，我们设计了理论模型，并在超级计算机上进行了计算，"项目负责人、理论物理学家DomenicodiSante博士说，他同时也是维尔茨堡合作研究中心（SFB）1170ToCoTronics的准成员。测量结果与理论预测完全吻合，使研究小组能够直观地看到并确认可果美的金属拓扑结构。参与该研究项目的科学家来自意大利（博洛尼亚、米兰、的里雅斯特、威尼斯）、英国（圣安德鲁斯）、美国（波士顿、圣巴巴拉）和维尔茨堡。用于模拟的超级计算机在慕尼黑，同步加速器实验在的里雅斯特进行。"Sangiovanni教授总结道："这些研究成果完美地诠释了理论物理学和实验物理学协同工作所能产生的非凡成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373551.htm