科学家在令人费解的物理实验中创造了“时间裂缝”

这项新实验是对一项已有220年历史的演示的一个转折，在该演示中，光线穿过屏幕上的两个狭缝，在空间中形成一个独特的衍射图案，光波的波峰和波谷相加或抵消。在新的实验中，研究人员创造了一个类似的时间模式，本质上改变了超短激光脉冲的颜色

这些发现为模拟计算机的进步铺平了道路，模拟计算机可以处理印在光束上的数据，而不是数字比特——它甚至可能使这些计算机从数据中“学习”。它们还加深了我们对光的基本性质及其与材料相互作用的理解 

在4月3日发表在《自然物理学》杂志上的这项新研究中，研究人员使用了铟锡氧化物（ITO），这种材料存在于大多数手机屏幕中。科学家们已经知道ITO可以根据光线从透明变为反射，但研究人员发现，它的发生速度比之前想象的要快得多，不到10飞秒（十亿分之一秒的千万分之一） 

“这是一个非常大的惊喜，一开始我们无法解释，”该研究的主要作者、伦敦帝国理工学院的物理学家Riccardo Sapienza告诉Live Science。最终，研究人员通过仔细研究ITO中的电子如何对入射光做出反应的理论，找出了为什么反应发生得如此之快 ；“但我们花了很长时间才理解它。”

时空转换

英国科学家托马斯·杨于1801年首次使用现在经典的“双缝”实验证明了光的波状性质。当光线照射在有两个狭缝的屏幕上时，波浪会改变方向，因此从一个狭缝散开的波浪与从另一个狭缝传来的波浪重叠。这些波的波峰和波谷要么相加，要么抵消，形成明暗条纹，称为干涉图案 

在这项新的研究中，Sapienza及其同事通过向涂有ITO的屏幕照射“泵浦”激光脉冲，及时重现了这种干涉模式。虽然ITO最初是透明的，但来自激光的光改变了材料内电子的性质，使ITO像镜子一样反射光。随后的“探测”激光束照射到ITO屏幕上，会将光学特性的这种暂时变化视为几百飞秒长的时间狭缝。使用第二个泵浦激光脉冲使材料在时间上表现得好像有两个狭缝，类似于穿过空间双狭缝的光  

尽管穿过传统的空间狭缝会导致光改变方向并扇出，但当光穿过这两个“时间狭缝”时，它的频率会发生变化，这与它的波长成反比。可见光的波长决定了它的颜色 

在新的实验中，干涉图案显示为条纹，或频谱中的额外峰值，这些峰值是在不同频率下测量的光强的曲线图 ；就像改变空间狭缝之间的距离会改变产生的干涉图案一样，时间狭缝之间的滞后决定了频谱中干涉条纹的间距。这些干涉图案中在其振幅降低到背景噪声水平之前可见的条纹数量揭示了ITO特性变化的速度有多快；具有较慢响应的材料产生较少的可检测干涉条纹

这不是科学家们第一次发现如何在时间而不是空间上操纵光。例如，谷歌的科学家表示，他们的量子计算机“Sycamore”创造了一种时间晶体，这是一种在时间上周期性变化的新物质相，而原子在空间中以周期性模式排列 

Andrea Alù；，纽约城市大学的一位物理学家没有参与这些实验，但他做了单独的实验，在时间上产生了光的反射，他将其描述为另一个“；简洁的演示；时间和空间是如何互换的 

“该实验最显著的方面是，它展示了我们如何快速且显著地切换这种材料（ITO）的介电常数（定义材料透射或反射光的程度），”Alù；通过电子邮件告诉Live Science。“这证实了这种材料可以作为时间反射和时间晶体演示的理想候选者。”