仅用2000个原子！最轻纳米镜或将变身光子回路神器

镜子经常被用来改变光的传播方向。提起镜子，我们首先想到的自然是“宏观”的镜子，由大量原子构成。

近日，两支科研团队分别独立研发出了世界上最轻、最小的镜子——仅有大约2000个原子构成。实验结果显示，虽然只有一两千个原子，纳米镜成功反射了很大部分入射的光束。

纳米镜：图中红色线条为一直径仅为几百纳米的光纤。在红色光束“瞬逝场”的作用下，光纤表面形成一维原子陷阱。少量规则排列的原子可以反射光源发出的很大一部分光。（图中红色线条约为1~2cm长）

纳米镜子可被广泛用于光子回路光信号的控制。此外，因为构成镜子的原子和原子之间有很强的作用力，从量子力学的角度上，它们可以被看作模拟固体物理性质的微观系统。

因此，镜子，不仅仅是激光技术的重要组成部分，也是光子技术必不可少的核心构成部分。此外，对光和单个原子间作用力的精确控制也打开了量子物理崭新的一页，为量子信息技术（诸如量子计算）的发展提供了重要支持。

纳米镜系统利用了“布拉格反射”原理：被规则排列的“反射面”（例如晶格中的原子）反射的波，根据波长的长短，会在一定入射角度下发生相干反射。该理论是由威廉·劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg）和他的父亲威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg）在研究固体晶体结构时总结出来的，并且因此获得了1915年的诺贝尔物理学奖。

人工布拉格反射镜

根据该理论，当规则排列的“反射面”间距正好等于入射波长的一半时，入射波的绝大部分都将沿着相反方向反射回去。此时的系统就宛若一面“镜子”。布拉格反射镜已经在诸如微型激光器的光学设备中得到广泛应用（如上图），通常由数层一定厚度的薄层组成，可以对特定波长的光产生强烈的反射效果。

此前，试图通过被困原子云来反射光的尝试需要数以百万计的原子才能获得可观的反射率。

日前，在巴黎玛丽居里大学的朱利安·劳拉（Julien Laurat）小组和哥本哈根大学的于尔根·阿佩尔（Jürgen Appel）小组分别独立研发出了仅有少量原子构成的“纳米镜子”。

这些原子被等间距排列在被称为“光学晶格”的单原子“陷阱”中，这些陷阱由驻波或者强激光产生。两支科研团队在靠近光纤的地方形成一维陷阱，用以束缚光束的传播。

这种实验设计实现了原子和入射光子之间的强作用力；而在之前的试验中并没有光纤，光束可以在包含原子的实验腔体内自由传播。

因此，这一技术中“光纤”的参与必不可少，通常直径只有数百纳米。在这种光纤中，光有不少部分都会“泄露”到光纤外部——被称作“瞬逝场”的空间里。

阿佩尔解释道：“在如此小的直径中传播，大部分光不会在光纤内部传播，而是顺着光纤在其周围传播。”根据波长的不同，大约有三分之一的光能量分布在光纤外部。

这种“瞬逝场”可以被用作“光学晶格”来在光纤周围形成单原子陷阱。两支团队用红光或红外线生成光学晶格，并且成功的将原子分布在间距为几百纳米的一维直线上。为了防止这些原子被光纤表面吸引，两支团队采用了第二条红光束，以保证原子和光纤表面的距离。

纳米布拉格反射镜的反射率可以通过射入第三条光束，并且测量其反射光强度而得知。

阿佩尔团队估计他们的纳米镜包含1300个铯原子，可以反射超过10%的入射光——这一数值超过了日常的窗玻璃板。朱利安团队的设施包含大约2000个原子，实验估算大约有三分之一的光被反射回光源。

劳拉团队较高的反射率不仅仅因为他们的装置包含更多的原子，还因为他们对于原子在布拉格反射中的位置控制更为精确。

劳拉说，纳米镜的前景之一，是可以通过极其微弱的光信号实现纳米镜的“开”和“关”：通过少数光子将原子置入“非反射”状态。

事实上，纳米镜的用途和益处远远不“镜子”这么简单。

瞬逝场和原子状态间的“强耦合关系”意味着原子可以通过光子晶格来“感受”到其他原子的状态变化，并且可以在相对较长的区域互相作用。因此，原则上，这些原子序列可以看作是固体的微观模拟系统，有希望在量子计算中起到耦合量子点的作用。

然而，两支团队都强调，类似应用的实现需要原子和光束间更强的耦合。

苏黎世联邦理工学院的量子光学专家蒂尔曼·艾斯林格（Tilman Esslinger）说，上述两支团队的实验结果是科技的一大进步，但是距离真正的量子模拟计算还有一些需要改进的地方。

麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）是冷原子物理学家、量子光学专家，他盛赞两支团队取得了“工程学控制原子与光相互作用的一大成就”。

编辑：梁博深

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