一项量子光学新突破以更少的能量实现了更强的激光-物质相互作用。
据报道，中国研究人员展示了一种新方法，能在不提高激光总功率的条件下大幅增强超快激光相互作用。这一发现或将为更安全、更精确的高强度光学系统打开大门。
在《自然》杂志发表的一项研究中，华东师范大学吴健领导的团队利用一种称为明亮压缩真空态的量子光取得了这一发现。
利用这种光，他们将一个关键的非线性光学过程增强了20多倍，与之对比的是携带相同平均能量的传统激光脉冲。
据该团队介绍，他们的工作攻克了现代激光物理学中最大的限制之一。
目前，许多先进光学效应依赖于非线性相互作用，即多个光子几乎同时与物质发生作用。这对从阿秒（10⁻¹⁸秒）物理学到高次谐波产生和超快成像等众多领域都至关重要。
增强20倍，无需额外功率
问题在于，非线性效应通常需要极强的激光脉冲，而这可能损坏正在研究的材料或系统本身。
该团队没有增加激光功率，而是改变了光本身的统计行为。与标准激光中光子以相对稳定的速率到达不同，明亮压缩真空态会产生光子密度的极端涨落。
这就创造出持续时间极短、瞬时强度极高的脉冲，即便整体平均能量保持适中。这一区别被证明十分关键。
为检验这一构想，研究人员使用这种量子光源触发了钠原子中的隧道电离。在这一过程中，足够强的电磁场会使原子势垒发生剧烈畸变，电子得以通过量子力学效应有效地隧穿出来。
研究团队发现，平均能量仅300纳焦的明亮压缩真空脉冲，所产生的非线性电离效应与传统激光脉冲在有效强度高出20多倍时相同。
重要的是，这种增强是在不增加平均功率的前提下实现的，从而降低了热损伤或结构损伤的风险。
研究人员还证明，他们可以通过改变光的量子统计特性来调节相互作用强度，而无需改变脉冲能量本身。
以往，更强的非线性效应需要功率越来越高的激光器。而这项研究意味着，精心设计的量子涨落或许能以远低得多的能量成本达到类似效果。
一些非常重要的应用
这一发现对阿秒科学可能尤为重要。该领域专注于在十亿分之一秒的十亿分之一（阿秒）时间尺度上观测电子动力学。
阿秒实验通常需要极高的激光强度，常将材料与光学元件推至损伤极限附近。
通过使用量子工程调控的光态，而非蛮力提升功率，研究人员最终有望对超快相互作用进行更精细的控制，同时减少对实验系统的附带损伤。
这项研究还凸显了光学与量子工程领域一个更广泛的趋势。物理学家不再仅仅把量子涨落当成需要压制的噪声，而是越来越多地探索将其用作功能性工具。
尽管这一方法仍处于高度实验阶段，但结果表明，在未来几代的超快光学技术中，光的量子统计特性或许会变得与激光原始功率同等重要。
您可以亲自在《自然》杂志上查看该研究。
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