《自然·物理学》：英国团队揭示新维度的“量子光”

光子盒研究院出品

时变光子学(Time-varying photonics)是一个新兴的研究概念，在这一领域，材料的时间依赖性被用来实现新的功能。近期，一个时间性的双缝分光实验证明了时间调制材料控制光线的可行性。
伦敦帝国理工学院的物理学家开发了时间而非空间的“狭缝(slits)”。他们通过一种材料发射光来实现这一点，该材料会在飞秒（千万亿分之一秒）内改变其特性，只允许光在特定时间快速连续通过。
4月3日，研究成果以《光频下的双缝隙时间衍射(Double-slit time diffraction at optical frequencies)》为题，发表在《自然·物理学》杂志上。

传统上，光子设备的功能依赖于空间结构。例如，光波导利用空间中的高折射率区域来引导光的流动。近年来出现了一种不同的方法，设备的时间结构可以被设计出来，也就是说，材料的特性会随着时间的推移而改变。
由此产生的时空界面和结构显示出耐人寻味的物理行为，在光操纵、无磁非互易(magnet-free nonreciprocity)和波放大等方面具有新的功能。近日，帝国理工大学Romain Tirole团队在《自然·物理学》上写道，他们现在报告了杨氏经典双缝实验的时间版本的实验实现——如果有一项工作能够突出、并向广大观众介绍时间依赖性光学的全部内容，那么可能就是它。

Romain Tirole在伦敦帝国理工学院调整研究中使用的设备。
在寻找波与物质相互作用的新形式的过程中，科学家们对波在时变结构上的行为产生了兴趣，对于这些行为，人们预测了许多令人惊讶的效果。
例如，时间界面（波传播的材料的突然变化）和空间界面之间的波的相互作用是惊人的。然而，由于以可控的方式实现材料的时间变化的技术复杂性，以及光学功能所需的时间尺度，这相关的实验证明是很少的。

在寻求空间和时间效应之间的类比时，可以考虑复指数e^i(k⋅r-ωt)，它描述了空间(r)和时间(t)的相位变化，分别由波向量(k)和角频率(ω)给出。空间和时间效应之间的类比往往涉及到交换波矢和频率的角色——这正是发生在时间双缝衍射(temporal double-slit diffraction)中的情况。
1801 年，英国皇家学会的托马斯·杨 (Thomas Young) 进行了第一次双缝实验，揭示了光的量子性质和量子物体（如单个光子、电子、中子、原子和大分子）的波粒二象性。
在双缝衍射实验中，一个光波传播到两个狭窄的狭缝中，而狭缝后面的衍射图案揭示了光的波性。准确地说，它展示了两种效应：衍射(diffraction)和干涉(interference)，它们的结合产生了干涉图案。

衍射在单条狭缝上是明显的。入射到狭缝上的平面波延伸到整个空间，并有一个单一的波幅值。在与狭缝相互作用后，它就被限制在狭缝的位置上。作为一个傅里叶变换对，位置和波矢是受不确定性原则制约的互为变量。由于在狭缝之后，波的位置被很好地定义了，因此分化后的波不再有一个很好的波矢值；相反，它散开成一个与狭缝一样宽的波矢量谱(wavevector spectrum)。

双缝衍射的空间和时间版本。a,b)狭缝几何形状的示意图，以及经历双狭缝衍射的波的时空演变，有空间狭缝(a)和时间狭缝(b)；(c)实验实现了具有时间依赖性的时空双缝。
如上图a所示，当从一个狭缝中衍射出的波与从另一个狭缝中衍射出的波叠加时，就会发生干涉。波谷和波峰相互加强或抵消，导致狭缝后面出现著名的明暗条纹图案。由于狭缝之间的空间分离，任何给定的波矢量分量（对应于远场的角度）到达光电探测器屏幕时，根据衍射它的狭缝走了不同的距离。这导致了不同起源的波之间的相位差。
双缝实验的时间等价物遵循同样的两个成分：衍射和干涉，但现在时间和频率扮演着位置和波矢的角色。
如图b所示，在其最简单的术语中，单一的时间狭缝可以被认为是一堵无法通过的墙，它短暂地消失并重新出现。这迫使传输的波只存在于一个特定的时间区间，这种时间上的限制拓宽了频谱。因为狭缝打破了时间不变性，所以频率是不守恒的。
在光谱领域，每个狭缝的拓宽光谱的每个频率成分相对于另一个狭缝都有一个时间延迟，因此有一个相位差。这些波可能是破坏性的，也可能是建设性的，从而产生在频谱上清晰可见的干扰模式。
在光域中实现这样的时间双缝代表了一种技术挑战，Tirole等人成功地应对了这一挑战：他们利用非线性光学来实现所需的时间调制，以创建时间狭缝。
具体来说，他们利用了在氧化铟锡(ITO)层中的非线性克尔效应(non-linear Kerr effect)——由电场引起的材料折射率的变化。在这种情况下，电场是通过用两个高功率的泵浦脉冲照射样品来应用的，其持续时间和时间间隔决定了狭缝的时间宽度和间隔。
通过将ITO的折射率在接近零的波长工作，由泵浦脉冲引起的折射率的微小绝对变化代表了大的相对变化，因此在光学响应中也有大的变化：
如上图c所示，Tirole和合作者在反射中进行了实验。一束探针光以一定的角度入射在玻璃/ITO/黄金多层板上，反射率为8%。然后，两个泵浦脉冲分别对反射系数进行时间调制，使其达到60%。

实验结果：观察到时空双衍射的光谱衍射图案（红色圆圈）作为狭缝分离的函数。

宽泛地讲，泵浦脉冲在两个短暂的时间间隔内实现了两个时间狭缝。研究小组随后测量了反射探针光的频谱，精确地揭示了时间上的双缝干扰模式。

杨氏双缝实验是一个经典，Tirole及其同事的工作有可能成为一个经典，因为它展示了时变光子学的关键思想。
光子现实世界应用的技术趋势似乎是朝着降低复杂性的方向发展。转向时变结构反而通过增加第四个维度（时间）来增加复杂性。这带来了更多的自由度和光操纵的机会，但也带来了实验上的挑战。这些批评最终可能被证明是正确的，或者时变材料所允许的新型物理学可能最终成为技术上的革命。
“我们的研究为理解光的基本性质做出了重要贡献，同时也为可以在空间和时间上控制光的终极材料提供了模型。”帝国理工学院的首席研究员 Riccardo Sapienza 教授说。合著者 John Pendry 教授表示，它为全新的光谱学开辟了道路：该光谱学能够在一个辐射周期的尺度上重建光脉冲的时间结构。
该小组正计划开发一种“时间晶体”：它与原子晶体相当，但随着时间的推移具有不同的光学特性。共同作者 Stefan Maier 教授认为，时间晶体可能会导致超快的并行光开关。
只有时间可以证明，但目前的工作代表了时变设备在实践中的可行性的明确证据。
参考链接：
[1]Double-slit time diffraction at optical frequencies | Nature Physics[2]Recreating the double-slit experiment that proved the wave nature of light in time, instead of space (phys.org)[3]https://list23.com/1319663-physicists-reveal-quantum-light-in-a-new-dimension-in-a-time-bending-experiment/[4]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02026-2

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