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中国团队首次观测量子世界的时间反射与折射

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发布时间：2023-10-27

 

近日，浙江大学物理学院颜波和杨兆举课题组合作，在超冷原子量子模拟平台中首次观测到了时间反射和时间折射的现象，揭示了非平衡动力学下物质波在时间边界上精确地相干调控。

 

 
相关成果以“Quantum Time Reflection and Refraction of Ultracold Atoms”为题，于近日在线发表于国际期刊Nature Photonics。
 
 
日常生活中，光的折射与反射无处不在，光的“折角”处是不同介质的空间边界。将筷子的一端浸入水中，会看到筷子水面处发生弯折，就是由于光在折射率变化的空间界面处发生了折射与反射(图1(a))。早在54年前，就有理论学家根据麦克斯韦方程构想出了“时间边界”：光在穿越不同折射率的时间域时，也会发生类似于在空间界面的折射与反射现象(图1(b))。
 
图1（a）空间反射和折射。（b）时间反射和折射
 
为了观测到时间反射和时间折射,首要任务是让物质波传播起来。颜波课题组深耕超冷原子调控技术，发展了动量晶格技术，可以实现对动量晶格的任一格点单独调控。正是利用这一精巧的调控技术，设计合适的耦合，在非常短时间内将物质波变成了一个具有固定动量的波包，在动量晶格中定向传播起来。
 
 
当动量晶格系统的全局参数在微秒窗口期内发生突变，原本单一方向传播的波包分裂成两个，彼此运动方向相反，显示出时间反射和时间折射现象。与空间折射与反射不同的是，波在穿越时间边界时，动量守恒而能量发生重新匹配；而在穿越空间界面时遵循的是能量守恒和动量重新匹配的规律。相应地，课题组在论文中提出了有别于空间中折射定律的新公式。课题组调控时间边界的深度和锐度，对时间反射率和折射率进行了有效的调控。进一步研究发现，系统瞬变引起的时间折射与反射具有良好的抗扰性，只有在足够强的无序引入后，穿越时间边界的波会进入安德森局域状态。
 

图2 在时间边界下，单一方向运动的波包分裂成两个不同方向运动的波包，显示出时间反射和时间折射现象

 

 

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