能不能讓光進入一個容器後蓋上蓋子，永久保存？

2018-04-10 20:00:34 志語者

儲存光是一個非常困難的工作，主要有以下幾個原因。

1、光路是可逆的。大部分裝置，光怎麼進來，就能怎麼出去。瓶子能裝水，因為重力瓶口不用封住水也不會從上面飛出來。可是地球的重力根本不能把光限制在裝置裡，光可以從瓶口跑掉。當然，如果是黑洞就不一樣了。為了存儲光，要不然就要發明一個單向瓶口（只許進，不許出），要不然就需要一個光子的黑洞（把光吸住跑不掉）。

2、光的吸收普遍存在在所有的物質中。這就比如，用玻璃瓶可以裝水，因為玻璃不吸收水，也不漏水。可是普通的紙瓶子就不能裝水，它吸水啊！對於光來講，各種材料的吸收都不小（就像海綿做的瓶子裝水）。即使把光裝進某個裝置裡，也會很快被吸收光。另外，即使材料對光的吸收率非常小，可是光速太高，光和鏡子的反射次數太多，光的衰減也太快。

比如，我們用銀鏡（最好的金屬鏡子，對可見光的反射率可以達到98%+，我們就認為是99%好了），做成0.1m大小的盒子，把光裝起來。那麼，只要1us，光大概被反射3000次，剩下的光強就只有0.99^(3000)=8x10^(-14)了，這樣估計一下，1s後，光強就只剩下10^(-14000000)這個數量級了。

如果我們不利用鏡子反射，而利用全反射（介質吸收比金屬小），那麼能達到什麼水平呢？目前使用的通訊光纖，大概能做到每40km衰減一個數量級（10倍）。如果理想的實驗室條件，用最不計成本的工藝和材料，能做到好於民用兩個數量級，假設是4000km一個數量級的衰減，那麼光每0.02s就會衰減一個數量級，1秒鐘，存儲裝置裡的光就衰減50個數量級。

可以看到，光在物質中傳播，或者在物質表面的反射，所普遍存在的衰減（光吸收），使得我們無法在宏觀可用的時間尺度裡存儲光。這個問題目前還沒有方法能夠解決（你要儲存光，總歸要用物質做成裝置吧，可是隻要是物質，不論反射還是透射，總有光的吸收）。

可是，人們還是在不懈努力去尋找儲存光的方法，但並不是用來在宏觀尺度上把光存起來再放出來的，而是做一些其他的事情。主要包括兩點

1、光信號處理方面，暫存光可以製作一些信號處理器件。

2、光與物質相互作用方面，把光關進某個系統裡，那光就只好跟系統裡的物質作用了。（例如增加太陽能電池的效率，增加光催化反應的速率等等）。

出於上述目的，目前儲存光的手段，已經實現瞭如下一些：

1、高Q值的腔，可以暫存光一定的時間。

2、慢光介質，可以把光速降低到很低，從而存儲光一小段時間。

3、單通波導做成的腔，可以讓光只進不出（但還是會被吸收掉）。

4、介質分佈模擬空間扭曲做成“光子黑洞“

5、把光轉換成量子態存儲起來（不破壞光含有的信息）。

我們逐一看下科研成果

1、高Q值腔。

這部分工作主要是日本研究組做的光子晶體（Photonic Crystal）腔比較領先。不過具體這個腔能存儲光多長時間，一般不是研究重點。國內的一篇工作仔細測量了某種超材料（meta-material）腔的時間延遲效應[1]。下圖來自引文[1]

這篇文獻利用4mm厚的人工材料腔，將光暫時存儲了2ns的時間。

2、慢光介質。

1998年，Harvard的Hau等人，在波色-愛因斯坦凝聚的冷原子中，利用電磁感應透明（EIT）現象，將光速首次降低到了17m/s(注意單位哦！)。在這之後，很多工作都實現了慢光，甚至趨近於0的光速[2]。如果讓介質中的光速逐漸趨近於0，光就被停在某個位置，也就相當於被存儲起來了（可是還是很快被吸收掉了）。

圖片引自文獻[2]，可以看出，光被延遲了7us之多，但是也被吸收了80%。

05年，IBM公司實現了1/300光速的光子晶體器件，07年用光子晶體器件成功實現了20GHz通訊中10bit的延遲（0.5ns），給了慢光通訊學上的實際應用[3]。