北京
一項量子光學新突破以更少的能量實現了更強的激光-物質相互作用。
據報道，中國研究人員展示了一種新方法，能在不提高激光總功率的條件下大幅增強超快激光相互作用。這一發現或將為更安全、更精確的高強度光學系統打開大門。
在《自然》雜志發表的一項研究中，華東師范大學吳健領導的團隊利用一種稱為明亮壓縮真空態的量子光取得了這一發現。
利用這種光，他們將一個關鍵的非線性光學過程增強了20多倍，與之對比的是攜帶相同平均能量的傳統激光脈沖。
據該團隊介紹，他們的工作攻克了現代激光物理學中最大的限制之一。
目前，許多先進光學效應依賴于非線性相互作用，即多個光子幾乎同時與物質發生作用。這對從阿秒（10?1?秒）物理學到高次諧波產生和超快成像等眾多領域都至關重要。
增強20倍，無需額外功率
問題在于，非線性效應通常需要極強的激光脈沖，而這可能損壞正在研究的材料或系統本身。
該團隊沒有增加激光功率，而是改變了光本身的統計行為。與標準激光中光子以相對穩定的速率到達不同，明亮壓縮真空態會產生光子密度的極端漲落。
這就創造出持續時間極短、瞬時強度極高的脈沖，即便整體平均能量保持適中。這一區別被證明十分關鍵。
為檢驗這一構想，研究人員使用這種量子光源觸發了鈉原子中的隧道電離。在這一過程中，足夠強的電磁場會使原子勢壘發生劇烈畸變，電子得以通過量子力學效應有效地隧穿出來。
研究團隊發現，平均能量僅300納焦的明亮壓縮真空脈沖，所產生的非線性電離效應與傳統激光脈沖在有效強度高出20多倍時相同。
重要的是，這種增強是在不增加平均功率的前提下實現的，從而降低了熱損傷或結構損傷的風險。
研究人員還證明，他們可以通過改變光的量子統計特性來調節相互作用強度，而無需改變脈沖能量本身。
以往，更強的非線性效應需要功率越來越高的激光器。而這項研究意味著，精心設計的量子漲落或許能以遠低得多的能量成本達到類似效果。
一些非常重要的應用
這一發現對阿秒科學可能尤為重要。該領域專注于在十億分之一秒的十億分之一（阿秒）時間尺度上觀測電子動力學。
阿秒實驗通常需要極高的激光強度，常將材料與光學元件推至損傷極限附近。
通過使用量子工程調控的光態，而非蠻力提升功率，研究人員最終有望對超快相互作用進行更精細的控制，同時減少對實驗系統的附帶損傷。
這項研究還凸顯了光學與量子工程領域一個更廣泛的趨勢。物理學家不再僅僅把量子漲落當成需要壓制的噪聲，而是越來越多地探索將其用作功能性工具。
盡管這一方法仍處于高度實驗階段，但結果表明，在未來幾代的超快光學技術中，光的量子統計特性或許會變得與激光原始功率同等重要。
您可以親自在《自然》雜志上查看該研究。
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