重现双缝实验，证明了光在时间上的波动性质，而不是在空间上

诸平

Project member Romain Tirole adjusts the equipment used in the study at Imperial College London. Credit: Thomas Angus, Imperial College London

据英国伦敦帝国学院（Imperial College London, London, UK）2023年4月3日提供的消息，来自英、美、德及澳大利亚的科学家组成的研究团队，重现了著名的双缝实验，该实验显示光在时间而不是空间中表现为波粒二重性（Recreating the double-slit experiment that proved the wave nature of light in time, instead of space）。

该实验所依赖的材料（materials）可以在几分之一秒内改变其光学性质（optical properties），这可以用于新技术或探索物理学中的基本问题。

1801年，托马斯·杨（Thomas Young）皇家研究所（Royal Institution）进行了最初的双缝实验（double-slit experiment），实验表明光具有波的作用。然而，进一步的实验表明，光实际上既表现为波，又表现为揭示其量子性质（quantum nature）的粒子。

这些实验对量子物理学（quantum physics）产生了深远的影响，不仅揭示了光具有波动性和粒子性，还揭示了其他“粒子”，包括电子、中子和整个原子也同样具有波粒二象性。

现在，由英国伦敦帝国学院物理学家领导的一个团队利用时间而不是空间上的“裂缝”进行了实验。他们通过发射光通过一种材料来实现这一目标，这种材料在飞秒(1 fs = 10^-15 s)内改变其性质，只允许光在快速连续的特定时间通过。相关研究结果于2023年4月3日已经在《自然物理》（Nature Physics）杂志网站发表——Romain Tirole, Stefano Vezzoli, Emanuele Galiffi, Iain Robertson, Dries Maurice, Benjamin Tilmann, Stefan A. Maier, John B. Pendry, Riccardo Sapienza. Double-slit time diffraction at optical frequencies. Nature Physics, Published: 03 April 2023. DOI: 10.1038/s41567-023-01993-w. https://www.nature.com/articles/s41567-023-01993-w

参与此项研究的除了来自英国伦敦帝国学院的研究人员之外，还有来自美国纽约城市大学（City University of New York, New York, NY, USA）、德国路德维格-迈克希米利安-慕尼黑大学（Ludwig-Maximilians-Universität München, München, Germany）以及澳大利亚莫纳什大学（Monash University, Clayton, Victoria, Australia）的研究人员。

来自伦敦帝国学院物理系的首席研究者里卡多·萨皮恩扎（Riccardo Sapienza）教授说:“我们的实验揭示了更多关于光的基本性质，同时也为创造能够在空间和时间上精确控制光的终极材料奠定了基础。”

最初的双缝装置是将光引导到一个不透明的屏幕上，屏幕上有两条平行的细缝。屏幕后面是一个探测器，用来探测穿过的光线。

为了以波的形式穿过狭缝，光会分裂成两个波，分别穿过每个狭缝。当这些波在屏幕的另一边再次交叉时，它们就会相互“干扰”。在波峰相遇的地方，它们会相互增强，但在波峰和波谷相遇的地方，它们会相互抵消。这就在探测器上产生了多光和少光区域的条纹图案。

光也可以被包裹成称为光子的“粒子”即光子（photons），可以被探测器记录下每次撞击探测器的一个光子，逐渐形成条纹干涉图案（striped interference pattern）。即使研究人员一次只发射一个光子，干涉图案仍然出现，就好像光子分裂成两个并穿过两个狭缝。

在经典实验中，从物理狭缝中射出的光改变了方向，因此干涉图案被写在光的角度轮廓中。相反，新实验中的时间缝改变了光的频率，从而改变了光的颜色。这就产生了相互干扰的光的颜色，增强或抵消某些颜色，从而产生干涉型图案。

研究小组使用的材料是一层铟锡氧化物（indium-tin-oxide）薄膜，大多数手机屏幕都是由这种薄膜构成的。在超快的时间尺度上，激光改变了材料的反射率，为光创造了“狭缝”。这种材料对激光控制的反应比研究小组预期的要快得多，反射率在几飞秒内就会变化。

这种材料是一种超材料（metamaterial），被设计成具有自然界中没有的特性。这种对光的精细控制是超材料的前景之一，当与空间控制相结合时，可以创造出新的技术，甚至是研究黑洞等基本物理现象的类似物。

合著者约翰·彭德里爵士教授（Professor Sir John Pendry）说:“双时间缝实验为一种全新的光谱学打开了大门，这种光谱学能够在一个辐射周期的尺度上解决光脉冲的时间结构。

研究小组接下来想要探索“时间晶体”（"time crystal"）中的这种现象，这种时间晶体类似于原子晶体，但光学性质随时间而变化。

合著者施蒂凡·迈尔（Stefan Maier）教授说:“时间晶体的概念有可能导致超快、并行的光学开关。”

本研究得到了西蒙斯基金会(Simons Foundation 855344)、UKRI (EP/V048880)以及戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）的支持。

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Abstract

Double-slit experiments—where a wave is transmitted through a thin double aperture in space—have confirmed the wave–particle duality of quantum objects, such as single photons, electrons, neutrons, atoms and large molecules. Yet, the temporal counterpart of Young’s double-slit experiment—a wave interacting with a double temporal modulation of an interface—remains elusive. Here we report such a time-domain version of the classic Young’s double-slit experiment: a beam of light twice gated in time produces an interference in the frequency spectrum. The ‘time slits’, narrow enough to produce diffraction at optical frequencies, are generated from the optical excitation of a thin film of indium tin oxide near its epsilon-near-zero point. The separation between time slits determines the period of oscillations in the frequency spectrum, whereas the decay of fringe visibility in frequency reveals the shape of the time slits. Surprisingly, many more oscillations are visible than expected from existing theory, implying a rise time that approaches an optical cycle. This result enables the further exploration of time-varying physics, towards the spectral synthesis of waves and applications such as signal processing and neuromorphic computation.