导读
近日，芬兰阿尔托大学的实验创造出一种“表面等离激元”凝聚态。凝聚态粒子由光子与周期排列的金纳米棒中的运动电子混合而成。与之前大多数的实验方法不同，新的凝聚态无需冷却至绝对零度附近。因为粒子大部分是光子，所以新型凝聚态可以在室温下产生。
背景
大约一百年之前，著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）与萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose ）预测量子力学会使得大量粒子“齐声歌唱”，其表现如同单一的粒子。这个现象称为“玻色-爱因斯坦凝聚态”（BEC）。
下面详细解释一下玻色-爱因斯坦凝聚态这一物理现象。
在量子世界中，粒子既具有粒子特性，又具有波动特性。
当粒子被冷却时，它们的表现越来越像波。
它们运动的速度变慢，能量也降低。
玻色子是指能同时具有相同能量的粒子。
例如，光子和某些原子都是玻色子。
在足够低的温度下，玻色子的波相互重叠。
它们都可以用单个集体的量子波来描述。
这种奇异的物质形式称为“玻色-爱因斯坦凝聚态”。
然而，直到1995年，科学家们才首次通过实验观察到了碱金属原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚态现象。
尽管科学家们在几个系统中都观察到了玻色-爱因斯坦凝聚态现象，但是这一现象的一些限制条件还有待进一步突破，目标就是：更快的时间量程、更高的温度、更小的尺寸。
创新
近日，芬兰阿尔托大学（Aalto University） 进行的实验中创造出一种“表面等离激元”的凝聚态。凝聚态粒子由光子与周期排列的金纳米棒中的运动电子混合而成。不同于之前大多数实验方法创造的玻色-爱因斯坦凝聚态，新的凝聚态无需冷却至绝对零度附近。因为粒子大部分是光子，所以新型凝聚态可以在室温下产生。
（图片来源：Tommi Hakala 和 Antti Paraoanu / 阿尔托大学 ）
Päivi Törmä 教授 教授已经获得了欧洲科学研究委员会（European Research Council ）概念验证阶段的补助，用于探索未来的应用前景。
技术
我们首先深入观察一下表面等离激元所产生的凝聚态现象。
微型纳米棒会与入射光线产生共振。
这种表面等离激元可以通过纳米棒周期排列的阵列组合来定制。
光线陷入纳米棒之间，与金属中的电子产生耦合，从而创造出一种光子与运动电子的混合粒子。
研究人员采用位于金纳米棒阵列顶部的染料分子作为能量源。通过在阵列的一端用激光激发这些分子，就能监测到这些形成凝聚态粒子的传播。
当沿着阵列传播时，粒子只会遇到能够吸收光线的分子，然后分子又将光线反射回阵列中。由于分子振动，在每次吸收与激发的过程中都会丧失掉一些能量。
这种所谓的“热化”（thermalization）可以视为粒子群朝着更低的能量传播，也就是说，从更短的波长到更长的波长。
当到达阵列中最低可能的能量时，这些粒子形成了玻色-爱因斯坦凝聚态。
正如玻色和爱因斯坦的原始理论所描述的，在能量频谱中，大量处于最低能量状态的粒子，伴随着处于更高能量的热化粒子，从而表现出这种玻色-爱因斯坦凝聚态。
Päivi Törmä 教授表示：“金纳米粒子阵列容易通过现代纳米制造技术来生成。在纳米棒附近，光线会聚焦到小空间中，尺寸甚至低于真空中的光波长。这些特性为基础研究以及新型凝聚态的应用带来了有趣的前景。”
证实这种新型凝聚态的主要障碍就是：这一过程会发生得十分快速。博士生 Antti Moilanen 表示：“根据我们的理论计算，凝聚态只在一皮秒内就形成了。我们如何才能验证某个仅持续一万亿分之一秒的东西的存在呢？”
研究员 Tommi Hakala 表示：“随着凝聚态形成，它将激发光线穿越金纳米阵列。我们通过观察光线，能及时监测凝聚态是如何进行的。这就是我们怎样将时间转化为距离的。”
凝聚态激发的光线与激光相似。Törmä 教授解释道：“我们能改变每个纳米棒之间的距离，控制产生玻色-爱因斯坦凝聚态，还是形成普通激光。它们两个是密切相关的现象，区分它们对于基础研究来说很重要。它们也有望带来不同类型的技术应用。”
激光和玻色-爱因斯坦凝聚态都可以产生明亮光束，但是它们产生的光线相干性不同。这些会相应地影响光线调谐方式，从而满足特殊应用的要求。
价值
这些凝聚态越容易制造，就越容易为新型技术应用，开辟更多振奋人心的方案。举例来说，这项技术有望带来一种尺寸非常小、信息处理速度非常快的新型光源。这种新型凝聚态除了有望产生极短的光脉冲，还可以提供更快速的信息处理和成像技术。
关键字
物理、光学、光子、电子
【1】http://www.aalto.fi/en/current/news/2018-04-16-006/
【2】Tommi K. Hakala, Antti J. Moilanen, Aaro I. Väkeväinen, Rui Guo, Jani-Petri Martikainen, Konstantinos S. Daskalakis, Heikki T. Rekola, Aleksi Julku, Päivi Törmä. Bose–Einstein condensation in a plasmonic lattice. Nature Physics, 2018; DOI: 10.1038/s41567-018-0109-9
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