光子动量研究的历史光子动量如何转化为力?及实际应用的详细概述

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光具有动量的想法并不新鲜,但是在过去的150年里,光与物质相互作用的确切本质一直是一个谜。在一项刚发表于《自然通讯》杂志上的论文中,研究人员或许揭示了光最黑暗的秘密之一。

研究光辐射压的历史

○ 开普勒1619年在De cometis一书中绘制的彗星在行星间穿行的轨迹。| 图片来源:Linda Hall Library

1619年,德国著名的天文学家和数学家开普勒第一次提出,来自太阳光的压力或许是彗星尾巴永远指向背离太阳方向的原因。他在《De cometis》一书中绘制了彗星在行星间穿行的轨迹(如上图)。围绕着太阳的三个圆弧形轨道依次是水星轨道(Sphaera Mercurii)、金星轨道(Sphaera Veneris)、地球轨道(Sphaera Tellurae),图中的一丛丛短线条代表彗星的尾巴,它们总是背离太阳的方向。

○  海尔-波普彗星(Comet Hale-Bopp,C/1995 O1)是于木星轨道外被发现的最为明亮壮观的彗星之一,它的回归周期是2533年。太阳辐射压使得彗星中的冰蒸发,形成长长的气体尘埃尾,指向背离太阳的方向。| 图片来源:E. Kolmhofer,H. Raab;Johannes Kepler Observatory,1997年4月4日

直到1873年,麦克斯韦才预言,光是一种电磁辐射,而这种辐射压正是来自于光自身的电磁场中存在的动量。

当电磁波发射到物体表面时,电磁波的动量与物体动量相互交换,从而产生作用于物体表面的压力,也就是辐射压。如果入射动量垂直于平面,那么动量改变恰好是入射动量的两倍,因而在物体中产生的也会是入射动量的两倍(如下图)。

这项研究的共同作者Kenneth Chau表示:“而在此之前,我们都还不能确定,这种动量是如何转化为力或运动的。因为光携带的动量非常小,我们还没有足够灵敏的设备来解决这个问题。”

实验:光子动量如何转化为力

现在,技术已经赶上来了,Chau和来自斯洛文尼亚、巴西的国际研究团队,正在试图揭示这个谜题。

为了测量光子和物质之间这种极弱的相互作用,研究人员必须将干扰和背景噪声控制在最低水平。他们建造了一个配备有声学传感器和隔热屏障的特殊镜面,用固体介电质作为镜子的材料,并在表面交替覆盖ZrO₂和SiO₂两种材料层层叠加而成的反射率高达99.93%的薄膜,目的在于减少吸收光辐射所产生的热量。

○  实验设置:镜子的材料为固体介电质(灰色),其表面覆盖的ZrO₂和SiO₂形成了反射率高达99.93%的薄膜(绿色)。当激光脉冲垂直照射在镜面上时,会在材料中产生弹性波(红色和蓝色弧线),以声速在材料中传播开来。| 图片来源:[1]

然后,当将激光脉冲垂直照射到镜面上时,材料中就会产生弹性波,这就如同池塘中的水的涟漪一样,它们会以声速在材料中传播开来,并形成皮米(10^-12m)量级的尖峰。弹性波会导致材料发生位移,因此在灵敏的声学传感器的帮助下,研究人员就可以通过探测镜面的位移来测量通过镜面的弹性波,从而记录光与物体相互作用的过程。

Chau说:“我们不能直接测量光子的动量,所以我们的方法是通过‘聆听’穿过镜面的弹性波来探测光子动量的影响。我们可以沿路探查这些波的特征,直到回溯到驻留在激光脉冲本身的动量,这为最终定义和模拟材料内部的光子动量打开了大门。”

○ 镜面中弹性波的传播过程:激光脉冲照射在镜面上,(g)首先产生初级波(Primary wave,P-wave),(h)然后是二级波(Secondary wave,S-wave),(j)之后产生瑞利波(Rayleigh wave,R-wave),初级波抵达镜面的底部并被反射回去,在(k-l)中进一步形成更为复杂的波形。| 图片来源:[1]

光辐射压导致的弹性波在材料中传播,引起垂直于材料表面(z方向)的位移。实验中传感器探测到的垂直位移与排除热弹性波等影响、以辐射压为弹性波唯一能量来源的模拟结果相一致,这表明,辐射压是导致表面垂直位移的绝对主导因素,而不是吸收的热量或者其他作用力。

这一发现对于推进我们对光的基本理解很重要,而Chau也指出了辐射压的实际应用。

实际应用

“想象一下乘着由太阳帆驱动的星际游艇去遥远的恒星旅行。又或者就在地球上,研发出可以组装显微机器的光学镊子。”

○ (左)日本的IKAROS是世界上第一个主要由太阳帆驱动的探测器,它是依靠太阳辐射加速的星际风筝。其英文名缩写为IKAROS,也就是伊卡洛斯,是希腊神话中的人物,他用蜡和鸟羽制作的翅膀飞向太阳,越飞越高,最终因为过于接近太阳而使蜡翼融化,坠落大海。(右)从伊卡洛斯上看到的新月形的金星。| 图片来源:Andrzej Mirecki & JAXA

“我们还没有走那么远,但是这项工作的发现是重要的一步,我很期待下一步它会将我们带向何方。”

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