物理学家在新的维度上揭示了光的量子性质

伦敦帝国学院的物理学家重现了著名的双缝实验，该实验表明光在时间而不是空间中表现为粒子和波。

该实验依靠的是能够在几分之一秒内改变其光学特性的材料，这些材料可用于新技术或探索物理学的基本问题。

最初的双缝实验是由托马斯-杨于1801年在英国皇家学会进行的，表明光作为一种波的作用。然而，进一步的实验表明，光实际上既表现为波又表现为粒子，揭示了其量子性质。 这些实验对量子物理学产生了深远的影响，不仅揭示了光的双重粒子和波的性质，还揭示了其他”粒子”，包括电子、中子和整个原子。 现在，由伦敦帝国学院物理学家领导的团队已经利用时间而非空间的”狭缝”进行了实验。他们通过向一种在飞秒（四亿分之一秒）内改变其属性的材料发射光来实现这一目标，只允许光在特定时间内快速通过。

来自帝国理工学院物理系的首席研究员里卡多-萨皮恩扎教授说：”我们的实验揭示了更多关于光的基本性质，同时作为创造能够在空间和时间上细微控制光的终极材料的垫脚石。”

该实验的详情发表在4月3的《自然-物理》杂志上。 最初的双缝设置涉及将光照向一个不透明的屏幕，屏幕上有两条平行的细缝。屏幕后面是一个检测器，检测通过的光线。 为了以波的形式通过狭缝，光分裂成两个波，分别通过每个狭缝。当这些波在另一侧再次交叉时，它们会相互”干扰”。在波峰相遇的地方，它们会相互增强，但在波峰和波谷相遇的地方，它们会相互抵消。这在探测器上形成了光多和光少区域的条纹图案。 光也可以被分割成被称为光子的”粒子”，它们可以被记录下来，一次一次地击中探测器，逐渐建立起条纹状的干涉图案。即使研究人员一次只发射一个光子，干扰图案仍然出现，就像光子一分为二并穿过两个狭缝一样。

在该实验的经典版本中，从物理狭缝中出现的光会改变其方向，因此干涉图案被写在光的角度轮廓中。相反，新实验中的时间狭缝改变了光的频率，从而改变了其颜色。这创造了相互干扰的光的颜色，增强和抵消了某些颜色，产生了一个干涉型图案。

该团队使用的材料是一层氧化铟锡薄膜，它是构成大多数手机屏幕的基础材料。该材料的反射率被激光器以超快的时间尺度改变，为光创造了”缝隙”。该材料对激光控制的反应比研究小组预期的要快得多，在几飞秒内改变其反射率。

这种材料是一种超材料，它被设计成具有自然界中没有的特性，这种对光的精细控制是形成超材料的基础条件之一，当与空间控制相结合时，可以创造出新的技术，甚至是用于研究黑洞等基本物理现象的类似物。 共同作者John Pendry爵士教授说：”双倍时间狭缝实验为一种全新的光谱学打开了大门，它能够在辐射的一个周期范围内解决光脉冲的时间结构。” 接下来，该团队希望在”时间晶体”中探索这一现象，它类似于原子晶体，但其光学特性随时间变化。 共同作者Stefan Maier教授说：”时间晶体的概念有可能导致超快的、平行的光学开关”。