「量子光學天線」在原子層級上提供更強測量

編譯/高晟鈞

類似於利用天線從空氣中收集無線電波訊號來收聽廣播,原子也可以透過收集光能,集中成強烈的局部訊號,幫助研究人員來研究物質的基本組成。但我們卻鮮少聽過科學家利用固體材料中的「原子天線」來進行訊號的增強,這是因為在大多數情況下,固體中的原子會與環境作用,面臨像是聲子振動等諸多來自環境的干擾,進而降低訊號的相干性

科學家發現「量子光學天線」在原子層級上能提供更強測量。圖取自 Phys.org

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從理論到實踐

來自芝加哥大學的多機構研究團隊破解了這個難題,利用鑽石中的鍺空位中心,將光學能量增強了六個量級,突破了傳統天線結構難以到達的水平。

電子在基態與激發態之間的能量躍遷會產生振盪,集中相對大量的能量,使固體中的原子光學偶極子在理論上成為出色的「原子天線」。然而,當原子處於固體的緊密結構中時,受到的推擠、電子干擾與一般環境噪音干擾,使其難以從理論走向實踐。

色彩中心的魔力

色中心(Color Center),又稱F中心,是一種晶體缺陷,晶格中空缺的電子更傾向於吸收可見光譜中的光,能使透明的材料變成有色的,因而得其名。色中心結合其他材料中的特殊量子特性,成為研究團隊實現「光學原子天線」的一把鑰匙。

研究材料的基本組成需要原子層次的成像,而「頻寬」與「訊號放大」是該技術的的兩大核心。光學原子天線雖能提供更強的訊號,但頻寬卻更窄,因此該技術被更多的是現有技術的優化、補充,而非取代。

另一方面,不同於單分子拉曼或FRET光譜等現有技術透過光照射來增強訊號,該技術只需要奈米瓦特的能量極可活化。這也意謂著訊號增強的同時,也不會因強光而造成的背景螢光、熱能與漂白。同時與傳統的等離子天線不同,鍺空位中心在使用時也不會耗散能量。

將色中心整合到各式系統,除了能開發新的設備外,也能幫助人們慢慢了解原子結構乃至宇宙運作的秘密。

資料來源:Phys.org

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