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【一个钟头】中国科学家成功将光存一个小时,原理很简单,就两步

光能储存?这听起来可能有点奇怪,但我国科学家做到了!600米长的光被困在下面5毫米的晶体内一个小时。

存储光的晶体

这么神奇的操作,原理是什么?

根据中科大90后周宗权教授介绍,要把光存储起来,主要有两个步骤:

第一步:降低光的速度

我们知道光的速度是299792458m/s,约等于30万公里/秒。不过这个是指光在真空中的速度,在其他介质中的速度是达不到的,比如说在水中的速度是22.5万公里/秒,在玻璃中速度约为20万公里/秒。

不同折射率的光变化

某种介质中光的速度=真空光速/介质折射率

所以,降低光的速度关键是选择折射率足够大的材质,如单晶锗的折射率在4.0以上。

不过这些自然界物质要将光速降低很多是远远不够的,需要进行人工调控折射率。哈佛大学在1997年使用冷原子气体,通过人工调控折射率,最后成功将光速降低到17米/秒。

光在介质中变慢原理公式

第二步:停光

将光场的激发转变成一群原子的激发,原子就把光子牢牢抓住在晶体里面,实现了停光。我国科学家们使用掺铕硅酸钇晶体(Eu3+:Y2SiO5)作为存储材料,这种材料理论上能将光存储一个月!

光学仪器

掺铕硅酸钇晶体的这些性能是澳大利亚国立大学团队在2015年发现的,他们在一阶塞曼效应为零磁场下,观察到掺铕硅酸钇晶体的核自旋相干寿命长达6小时。可是由于对该材料的能级结构缺乏了解,一直未能实现长寿命光存储。

光振荡原理

中科大研团队经过不懈努力,精确刻画了掺铕硅酸钇晶体光学跃迁的完整哈密顿量,成功实现长达1小时的长寿命光存储,相位存储保真度高达96.4±2.5%,打破了德国团队2013年将光存储1分钟的世界纪录。

中科大光存储团队在工作

当然了,原理就两步,看起来很简单,但是要实现起来确实非常困难的!

如此强悍的黑科技,是否打破了爱因斯坦相对论中光速不变的前提?

遗憾的是,中科大光存储团队没有燕山大学的李教授那么厉害,用哲学推翻了相对论。相对论的光速不变是指在真空状态下的速度,并非指介质中的光速度,所以这个光存储技术并没有推翻相对论。

最快的物质无法达到光速

周宗权教授说:我们的实验并没有违背相对论,而且也无法实现时光倒流。

将光存储起来并不能将时光倒流,所以不用担心这项技术能干什么“坏事”。光存储技术有两个应用方向,那就是量子中继和量子 U 盘。还有一个应用,天文学家应该非常感兴趣,那就是将两台或者多台望远镜捕捉到的光放在一起处理,可以大幅度提高天文观测的精度,想想都让人激动!

改变能量并不能改变光速

写在最后:不知道大家思考过一点没有,光在介质中为什么会变慢了呢?在介质中,光子遭受到了什么阻碍呢?

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