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据英国谢菲尔德大学官网近日报道,该校研究人员解决了量子物理中的一个关键性难题,开发出了一种生成极快单光子光脉冲的方法,有助于提供全面安全的数据传输。

姓名:张志彪                  学号:16050120102

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  中国在激光技术领域上的一项最新突破,将赋予中国军队一种新的能力:仅用一个旅行箱大小的可移动设备,就可令敌人安装在导弹甚至卫星上的感应器失效。以往,这种通常安装在战舰上的设备,体积有集装箱那么大。

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过去几十年来,使用光沿着光纤传输数据变得日益普遍,但目前每个脉冲含有数百万个光子,这意味着,原则上某些光子可以在不被察觉的情况下被拦截或窃听。虽然经过加密的数据相对安全,但如果“窃听者”能拦截含有这些编码细节的信号,那么,从理论上来讲,他们就可以访问并解码剩余的信息。

转载自

美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家在《物理评论快报》杂志撰文指出,他们设计出了一种拥有自然界中没有的新奇属性的“量子超材料”, 它由光组成的人造晶体及被捕获的超冷原子构成,在很多方面与晶体类似,但结构更“完美”,没有天然材料内常见的瑕疵。

  由中国科学院物理研究所李志远教授率领的一个团队表示,他们已经将能发射高频激光的复杂技术,简化至一个简单的晶体。

绿色荧光蛋白极化激元激光原理示意图:将活细胞产生的绿色荧光蛋白填充在微光腔中制成一层薄膜,光和电子能量混合产生准粒子。

单光子脉冲提供了全面的安全性,因为任何窃听行为都将被立即探测到,因此,科学家一直试图快速生成单光子脉冲,让其能以足够快的速度传输大量数据。

【嵌牛导读】激光器相信大家都认识过不少,有气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器等等。本文将讲述纳米激光器,快来学习吧。

研究人员表示,他们或能精准定位此种光晶体内“探针”原子的位置,并使用另一种激光来调谐其行为,从而使原子以光子的形式按需释放出能量;反过来,这一原子能被另一个探针原子(位于同一个或不同晶格内)吸收,从而形成一种简单的信息交换。

  这将意味着那些安装在战舰上的、让热导飞弹无所遁形的巨型超快激光发生器,可能将会缩小至手提袋的体积,放置在飞机、坦克甚至士兵身上。

一个由英德科学家组成的研究团队在最近出版的《科学·进展》杂志上发表论文称,他们首次将水母体内的荧光蛋白基因插入大肠杆菌基因组,利用转基因大肠杆菌产出了增强型绿色荧光蛋白并用来产生激光。研究人员指出,这一突破代表着极化激元激光领域的重大进步,其效率和光密度都比普通激光高得多,有望为研究量子物理学和光学计算开辟新途径。

在最新研究中,谢菲尔德大学团队利用一种被称为“珀塞尔效应”(Purcelleffect)的现象,来快速地生成光子。他们将纳米晶体量子点放置到位于更大型晶体内的腔体中,然后用激光轰击这些量子点,量子点会吸收能量,这种能量以光子的形式发射出来。

【嵌牛鼻子】纳米材料        激光

领导这项研究的伯克利实验室材料科学分部负责人张翔说:“对单个光子释放的增强和超快速控制是量子技术,尤其是量子信息处理的核心,以前的方案只能做到其中一点,而我们的方案可同时兼顾。” 论文主要作者潘卡季·嘉哈说:“新方法使我们能控制光子释放的速度,因此,能以光学方式更快捷高效地处理和传输信息。”

  清华大学的激光光学教授柳强表示,这是一项有突破性的成就。他说,从来没有人可以用一​​块晶体就发射如此高频的激光。

据美国趣味科学网日前报道,传统的极化激元激光器用无机半导体做增益介质,必须致冷到极低温度;而有机发光二极管显示器中的有机电子材料能在室温下工作,但需要有皮秒光脉冲来供能。研究团队开发的新激光器也能在室温下工作,但只需纳秒脉冲。

将纳米晶体放置到非常小的腔体中会使激光在腔体壁内部到处反射,如此一来,通过珀塞尔效应会加速光子的生成。但这一方法存在一个问题:携带数据信息的光子很容易与激光混淆。研究人员通过将腔体内蹦出的光子和进入芯片的光子分离开,以区分这两种不同类型的脉冲,从而解决了这一问题。

【嵌牛提问】纳米激光器是什么?又有哪几个种类呢?

最新方案有望将探针原子释放光子的速度从纳秒加速到皮秒,更重要的是,这一过程是“无损的”,这意味着,光子并不会像在传统材料内那样损失能量,克服了实现量子计算和信息处理面临的障碍之一。能快速释放光子并在原子间低损耗地传输光子是量子计算中信息处理至关重要的一步。

  柳强说,新的技术能显著简化超快激光的生成,并将有关设备的体积缩小。

极化激元激光来自一种量子凝聚现象:激光增益介质中的原子或分子反复吸收发出光子,产生一种叫做极化激元的准粒子,在一定条件下变成一种联合量子态,从而发出激光。理论上极化激元激光需要的能量更少。

最终,团队成功地制造出比没有采用珀塞尔效应的方法快50倍的光子发射率。尽管这并非迄今开发出的最快的光子光脉冲,但它生成的所有光子都相同,这对许多量子计算应用来说非常必要。

【嵌牛正文】纳米激光器,是指由纳米线等纳米材料作为谐振腔,在光激发或电激发下能够出射激光的微纳器件。这种激光器的尺寸往往只有数百微米甚至几十微米,直径更是达到纳米量级,是未来薄膜显示、集成光学等领域中的重要组成部分。

研究人员发现,铷原子非常适合这一研究,但钡、钙和铯原子也能被植入人造晶体内。尽管得到的人造晶体是一维的,但或许也能用此方法制造出二维、三维量子超材料晶体结构。

9778818威尼斯官网,  科研团队的部分研究资料被刊登在美国物理学会旗下最新一期的《物理评论快报》( Physical Review Letters )上。

研究人员把转基因大肠杆菌产生的eGFP填充在许多光微腔里,作为一种“光泵”,能以纳秒速度发出闪光,使整个系统达到产生激光所需的能量。“光泵”能在达到激发阈值后,给设备注入更多能量以产生传统激光。该激光发明人之一、苏格兰圣安德鲁大学物理与天文学院教授马尔特·盖瑟说,皮秒脉冲的能量更合适,但制造起来要比纳秒脉冲难1000倍,他们的做法简化了很多制造工序。

该校光学物理系教授马克·福克斯表示:“任何测量或‘读取’光子的行为都会改变其特性。光子一旦受到干扰,数据将会遭到破坏并发出警报。我们的方法也解决了一个困扰科学家约20年的问题,即如何采用珀塞尔效应高效地加速光子的生成。”

(1)纳米导线激光器

嘉哈强调称,最新研究将“超冷原子”同超材料研究结合在一起,“这种联姻解决了超材料平台面临的一些重大挑战。”张翔则表示:“最新研究有望为量子光与超材料交互开辟新领域。”

  自从激光技术诞生以来,科学家一直试图通过减少波长来增加激光频率。频率越高,光子所载的能量就越大。

盖瑟还指出,新方法的一个关键优点是,蛋白质分子的发光部分被一种纳米大小的圆柱形外壳保护着,让它们彼此间不会互相干扰,分子结构很适合在高亮度下工作,更容易发出激光。但目前的激发阈值还太高,今后经过改进,最终可让极化激元激光器的激发阈值比传统激光器低得多,这样效率会更高,发光更致密。

        2001年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器—纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光,经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术,用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是“培养”纳米导线,即在金层上形成直径为20nm~150nm,长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后,当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时,纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质,提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。

  通常一台超快激光设备能够产生的脉冲能够达到千万亿分之一秒。虽然经过多年发展,但由于成本昂贵和技术复杂,它们大多数仅限被用在实验室和眼部手术中。

(2)紫外纳米激光器

  不过,很多国家都投入了将这种技术运用在军事上的竞赛中。

      继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后,美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光,被认为是世界上最小的激光器,也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段,研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小,性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列,所以,ZnO纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器,ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首先,在蓝宝石衬底上涂敷一层1 nm~3.5nm厚的金膜,然后把它放到一个氧化铝舟上,将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃,产生Zn蒸汽,再将Zn蒸汽输运到衬底上,在2min~10min的生长过程内生成截面积为六边形的2µm~10µm的纳米线。研究人员发现,ZnO纳米线形成天然的激光腔,其直径为20nm~150nm,其大部分(95%)直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射,研究人员用Nd:YAG激光器(266nm波长,3ns脉宽)的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间,光随泵浦功率的增大而激射,当激射超过ZnO纳米线的阈值(约为40kW/cm)时,发射光谱中会出现最高点,这些最高点的线宽小于0.3nm,比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论:受激发射的确发生在这些纳米线中。因此,这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔,进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信,这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。

  例如,美国海军据报在2012年指派了一项研究任务,以研发能够令在导弹上的红外线感应器失效的超快激光系统。

(3)量子阱激光器

  这项技术的逻辑是,利用高频光子攻击感应器,比倚赖激光破坏导弹厚重的金属外壳要容易得多。

        2010年前后,蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下,在电路中移动的将只有少数几个电子,一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题,量子阱激光器就诞生了。在量子力学中,把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级,使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射,这就是量子阱激光器。目前,量子阱激光器有两种类型:量子线激光器和量子点激光器。

  除了对敌人的目标造成伤害,9778818威尼斯官网可单兵致盲敌军卫星,微米激光器。超快激光还可以作为一种方便的工具,应对加密通讯和侦测隐形飞机。

①量子线激光器

  不过,在军事上的应用方面,这种设备显得累赘和过重。

        随着科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器,从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度,它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求,因为这些中继器在通信线路中每隔80km(50mile)安装一个,再次产生激光脉冲,脉冲在光纤中传播时强度会减弱(中继器)。

  研究人员已经研发出多种制造高频激光的方式,包括利用纯净的气体或者多种晶体,但这些方式都需要在一个很大的房间设置一个设备,而设备的零部件在例如震荡等的外力作用下容易损毁。

②量子点激光器

  李志远的团队声称已经解决了这个问题。他们用锂和铌研发出一块特别的晶体,这块晶体能够将一束普通的激光变成波长最短可达350纳米的高频激光,或者比目前运用的超快系统快3倍的激光。

        由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点,可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子点代替量子线获得更大的收获,但是,研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的,包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作,甚至微小的热量也会使电子变得难以控制,并且陷入量子效应的困境。但是,通过改变材料使量子点能够更牢地约束电子,日本电子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决,开关速度不高,偶然的电能容易使单个电子脱离预定的路线。因此,大多数科学家正在努力研制全新的方法,而不是仿照目前的计算机设计量子装置。

  研发团队在报告中写道,这项技术指向了一个很有前景的方法,这个方法将极大增强激光技术的力量。

(4)微腔激光器

9778818威尼斯官网可单兵致盲敌军卫星,微米激光器。  柳强说,最大的挑战是在频率转换过程中能量的损耗。激光系统越大,能量损耗的情况就越严重。

        微腔激光器是当代半导体研究领域的热点之一,它采用了现代超精细加工技术和超薄材料加工技术,具有高集成度、低噪声的特点,其功耗低的特点尤为显著,100万个激光器同时工作,功耗只有5W。

  李志远研发的晶体的转换效率是18% ,意味着有超过80%的能量被消耗掉。

        该激光器主要的类型就是微碟激光器,即一种形如碟型的微腔激光器,最早由贝尔实验室开发成功。其内部为采用先进的蚀刻工艺蚀刻出的直径只有几微米、厚度只有100nm的极薄的微型园碟,园碟的周围是空气,下面靠一个微小的底座支撑。

  但柳强说,对于一个超快激光系统来说,这个效率依然“很高”。

        微腔光子技术,如微腔探测器、微腔谐振器、微腔光晶体管、微腔放大器及其集成技术研究的突破,可使超大规模集成光子回路成为现实。值得一提的是,这种微碟激光器具有高集成度、低阈值、低功耗、低噪声、极高的响应、可动态模式工作等优点,在光通信、光互连、光信息处理等方面的应用前景广阔,可用于大规模光子器件集成光路,并可与光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路匹配,组成光电子信息集成网络,是当代信息高速公路技术中最理想的光源;同时,可以和其他光电子元件实现单元集成,用于逻辑运算、光网络中的光互连等。

  他说,如果能够达到他们声称的效率,这项技术可能将很快被实际应用。

        纳米激光器研究对基础研究和实际应用都有重要意义。首先,二维材料作为最薄的光学增益材料,已被证明可以支持低温下的激光运转,但是这种单层分子材料是否足以支持室温下的激光运转,在科技界尚存疑虑。室温运转是绝大部分激光实际应用的前提,因而新型激光的室温运转在半导体激光发展史上具有指标性意义。另外,由于二维材料中极强的库伦相互作用,电子和空穴总是以激子态出现,因而这种激光实际上与一种新型的激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚密切相关,是基础物理领域目前最为活跃的课题之一。

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