一种新的技术能让光在晶体中慢下来， 需要做的只是打一束激光，改变一点电压
光脉冲在光谱烧孔上的能量分布（Q. Liet al., Phys. Rev.A (2017)）
光信息技术近年来受到研究者们的青睐，是因为在数据传输过程中，光子要比电子跑得快得多。但是信息并不比快递，送达只是第一步，信息还需要被存储、处理并再次发送出去。在这些过程中，光还是原来的光，但无论它是经典的还是量子的，都需要慢下来，甚至停一停。以往要想暂缓光子的脚步，我们需要一整套复杂的步骤，不过最近瑞典隆德大学史蒂芬·克罗（StefanKr?ll）教授和他的同事们所提出的方法则只需要在晶体的光谱上“烧”出一个小孔，然后改变孔的宽度就可以了。
要理解整个过程，让我们先从折射讲起。让我们准备好一束光、一杯水，或者一块厚玻璃。我们把光垂直照在介质上，光透过介质表面，继续前行，似乎并没有什么变化。但如果我们倾斜地照射，就会发现，穿过界面的一瞬间，光拐了一个弯儿。为什么会拐弯呢？我们可以把光束想象成一辆前行的汽车，突然车的右轮突然驶进了砂石路，或者干脆撞上了水泥柱，速度骤减。不难想象，这时候整台车会拐出一个大弯。这种折射率的改变是光整体速度的改变，但我们知道光可以有很多频率，往粗略地想，可以想象成七个颜色、七个轮子的车，那么只要让其中某一个或者某几个轮子的速度突然改变，光的速度也同样会受到影响。总结起来，就是光的群速度由两部分控制，一是整体的折射率，另一个是各个频率折射率的不同。
再来说说光在物质中的传播。以快递做比喻，如果我们寄送一个短途的快递件，那便是一站式服务，送达的快慢只取决于快递员交通工具的速度。但如果我们想跨越千山万水寄送一份快递，那么其间就会经历许多中转站，这样一来，送达时间的快慢不仅取决于所使用的交通工具，更大程度上还取决于快递在各个中转站停留的时间了。光在物质中的传播便与此类似，物质中的电子吸收光子，从低能态跃迁到高能态，然后再回到低能态，同时释放出和原来频率相同的光子。也就是说电子在高能态上呆的时间长短决定了光在物质中穿行的速度。如果高能态是激发态，电子便会很快回到稳定的基态上，而在一些特殊的物质，例如史蒂芬小组采用的离子掺杂铒晶体中，还存在着一些亚稳态。如果将电子激发到亚稳态上，那电子就得等很长的一段时间才会回到基态上，甚至是跃迁到其他低能态上，释放出其他频率的光子。亚稳态的寿命甚至可达激发态10的9次方倍！这个过程可以看作是微观世界的一次能量储存过程，这个过程便会在物质的吸收光谱上留下一段空白的频段，好似光的这个频段无法通过，而空白频段的频宽便大致等于电子在亚稳态上停留时间的倒数。这个现象也就是光谱烧孔技术。
光谱烧孔图解（Q. Liet al., Phys. Rev. A (2017)）
为什么要把它称为一项技术呢？因为这个孔的大小和孔边缘的倾斜程度是可以被人为操控的。原子的能级可以被静电场所操控，称为斯托克效应，而斯托克效应对晶体中掺杂的正离子和负离子的作用是相反的。图（a）中是没有加电场的光谱烧孔，红蓝两色标记了正负斯托克系数的离子。当给晶体加上电压，不同斯托克系数的离子光谱便往相反方向移动，如图（b）于是留下一个更窄的烧孔，而且孔边缘变得更加陡峭，光在这个频段的总折射率也就随之变得很大，光就这样被放慢了脚步。
理论上，这种简洁的技术可以用来压缩光脉冲，不过能否实现让光停驻还有待实验的验证。这种新的技术在减慢光速上虽不能打破记录，不过它能在常温下进行操作的特点足以吸引不少实业家的目光了吧。
参考文献：QianLi, Adam Kinos, Axel Thuresson, Lars Rippe, and Stefan Kroll, Using electricfields for pulse compression and group-velocity control, Phys. Rev. A 95, 032104 (2017)
作者：李想
