能不能让光进入一个容器后盖上盖子，永久保存？

2018-04-10 20:05:34 志語者

储存光是一个非常困难的工作，主要有以下几个原因。

1、光路是可逆的。大部分装置，光怎么进来，就能怎么出去。瓶子能装水，因为重力瓶口不用封住水也不会从上面飞出来。可是地球的重力根本不能把光限制在装置里，光可以从瓶口跑掉。当然，如果是黑洞就不一样了。为了存储光，要不然就要发明一个单向瓶口（只许进，不许出），要不然就需要一个光子的黑洞（把光吸住跑不掉）。

2、光的吸收普遍存在在所有的物质中。这就比如，用玻璃瓶可以装水，因为玻璃不吸收水，也不漏水。可是普通的纸瓶子就不能装水，它吸水啊！对于光来讲，各种材料的吸收都不小（就像海绵做的瓶子装水）。即使把光装进某个装置里，也会很快被吸收光。另外，即使材料对光的吸收率非常小，可是光速太高，光和镜子的反射次数太多，光的衰减也太快。

比如，我们用银镜（最好的金属镜子，对可见光的反射率可以达到98%+，我们就认为是99%好了），做成0.1m大小的盒子，把光装起来。那么，只要1us，光大概被反射3000次，剩下的光强就只有0.99^(3000)=8x10^(-14)了，这样估计一下，1s后，光强就只剩下10^(-14000000)这个数量级了。

如果我们不利用镜子反射，而利用全反射（介质吸收比金属小），那么能达到什么水平呢？目前使用的通讯光纤，大概能做到每40km衰减一个数量级（10倍）。如果理想的实验室条件，用最不计成本的工艺和材料，能做到好于民用两个数量级，假设是4000km一个数量级的衰减，那么光每0.02s就会衰减一个数量级，1秒钟，存储装置里的光就衰减50个数量级。

可以看到，光在物质中传播，或者在物质表面的反射，所普遍存在的衰减（光吸收），使得我们无法在宏观可用的时间尺度里存储光。这个问题目前还没有方法能够解决（你要储存光，总归要用物质做成装置吧，可是只要是物质，不论反射还是透射，总有光的吸收）。

可是，人们还是在不懈努力去寻找储存光的方法，但并不是用来在宏观尺度上把光存起来再放出来的，而是做一些其他的事情。主要包括两点

1、光信号处理方面，暂存光可以制作一些信号处理器件。

2、光与物质相互作用方面，把光关进某个系统里，那光就只好跟系统里的物质作用了。（例如增加太阳能电池的效率，增加光催化反应的速率等等）。

出于上述目的，目前储存光的手段，已经实现了如下一些：

1、高Q值的腔，可以暂存光一定的时间。

2、慢光介质，可以把光速降低到很低，从而存储光一小段时间。

3、单通波导做成的腔，可以让光只进不出（但还是会被吸收掉）。

4、介质分布模拟空间扭曲做成“光子黑洞“

5、把光转换成量子态存储起来（不破坏光含有的信息）。

我们逐一看下科研成果

1、高Q值腔。

这部分工作主要是日本研究组做的光子晶体（Photonic Crystal）腔比较领先。不过具体这个腔能存储光多长时间，一般不是研究重点。国内的一篇工作仔细测量了某种超材料（meta-material）腔的时间延迟效应[1]。下图来自引文[1]

这篇文献利用4mm厚的人工材料腔，将光暂时存储了2ns的时间。

2、慢光介质。

1998年，Harvard的Hau等人，在波色-爱因斯坦凝聚的冷原子中，利用电磁感应透明（EIT）现象，将光速首次降低到了17m/s(注意单位哦！)。在这之后，很多工作都实现了慢光，甚至趋近于0的光速[2]。如果让介质中的光速逐渐趋近于0，光就被停在某个位置，也就相当于被存储起来了（可是还是很快被吸收掉了）。

图片引自文献[2]，可以看出，光被延迟了7us之多，但是也被吸收了80%。

05年，IBM公司实现了1/300光速的光子晶体器件，07年用光子晶体器件成功实现了20GHz通讯中10bit的延迟（0.5ns），给了慢光通讯学上的实际应用[3]。