编辑手记

建筑师说，空间生于光；你感受一下。工程师说，光是建筑材料；你感受一下。设计师说，光是情绪；你感受一下。科学家说，光是波，也是粒子，给你们看证据。


光具有波粒二象性在中学物理课本的光学部分就已经学过。自爱因斯坦量子力学的发展以来，科学家们就在努力研究如何在同一时间对光的这两种状态进行观测。最近，EPFL(洛桑联邦理工学院)的科学家首次通过快照同时捕捉到光的波粒二象性。



量子力学理论中，光同时具有波和粒子特性。


早期的光具有波的特性由托马斯·杨、菲涅耳、马吕斯等人通过干涉、衍射和偏振现象实验正明。粒子性在普朗克提出量子概念后，由爱因斯坦的光电效应方程证明。


但是至今还没有一个实验能够在同一时间捕捉到光的这两种性质。为此 EPFL 的科学家设计了一种特殊的实验，来观察光的波粒二象性，通过快照成功的在同一时间捕捉到了光的这两种性质，这一突破性的工作将发表在 Nature communication 上。


当紫外线照射到金属表面，会激发电子溢出。爱因斯坦以此解释了“光电效应”，提出了光是一种波，也是一束籽粒流。量子力学理论建立以来，科学家从不同的实验中分别观察到了，光的这两种性质。



洛桑联邦理工学院，由 Fabrizio Carbone 带领的一个研究小组设计了这样一个巧妙的实验：利用电子对光进行成像。研究人员成功的通过快照技术捕捉了这一现象：光在这张相片中同时表现出了波和粒子(束)性。




(红色为驻波)


实验设计如下：通过脉冲向以金属纳米线发射一束激光。然后逐渐增大激光的能量，直到纳米线中的粒子发生震动。这时，光在这条金属线上有2种运动方向，就像高速公路上来往的车辆。当波以相反的方向传播，并遇到其他的波时，就会形成一个新的驻波(standing wave)。


这个形成的驻波就是实验所要捕捉的光源，它围绕纳米线向外辐射。



实验的关键部分在这：科学家对纳米线附近(非常非常近的位置)对驻波进行观测。而这时，纳米线的电子由于受到驻波的作用，速度会被加快或减慢。这时，使用高速显微镜对电子速度变化时进行拍摄。Carbone的团队捕获到驻波，表现出的光的波动性。


而当纳米线上的粒子运动时，在接近驻波时，他们与驻波上的光子发生了碰撞，也就会影响他们的速度，被加速或减慢。这种速度上的变化，恰恰显示出电子和光子之间的能量(量子)交换。所以，这幅照片能够同时显示出，光的波粒二象性。



该实验首次表明，我们能够对量子力学进行拍摄，以及这种矛盾的性质。Carbone说道。


这种矛盾的性质指，由于无法同时观测到光的波粒二象性，学术界认为，光在某个非常非常小的时间间隔中，一次只能表现出波的特性或者光的特性。


这种基础性科学是具有非常巨大的开创性和创新性的。Carbone 指出，能够形象的在纳米尺度对量子现象进行控制为走向纳米计算开创了一个新路径。


基础科学研究的重要性在《三体》中描述的非常通俗。


另外，该研究由EPFL的高速显微镜和电子射散实验室、美国三一学院物理系和物理和生命科学理事会的劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作完成。EPFL 拥有高速能量过滤成像电子显微镜全世界只有两台。


视频：http://youtu.be/mlaVHxUSiNk


详情可参看论文：Piazza L, Lummen TTA, Quiñonez E, Murooka Y, Reed BW, Barwick B, Carbone F.Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature Communications 02 March 2015.

[邻家怪蜀黍 via nature]


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