杨氏双缝干涉的新验证｜超快激光与时间超材料搭建时间双缝

从时间维度研究双缝干涉实验的实验装置

英国伦敦理工学院的研究人员目前证明，使用时间双缝也可以实现杨氏双缝干涉的实验结果。具体地，他们在实验中快速地连续两次打开和关闭半导体镜从而调控反射率，最后使用频谱仪在频域上记录反射光的干涉条纹。相关研究成果已发表于Nature Physics。

杨氏双缝干涉实验是托马斯·杨 (Thomas Young) 在 19 世纪演示的光通过一对窄缝后形成了典型的双缝干涉条纹实验，是物理学史上最具标志性的实验之一。

杨氏双缝干涉实验中使用单色光源照射到两个小孔径上，最后测量屏幕上产生的强度分布信息。来自每个狭缝的衍射导致波展开并相互干涉，当路径差是波长的整数倍时导致相长干涉，而在半整数差异的情况下导致相消干涉，从而在屏幕上出现明暗条纹图案。

该实验演示为光的波动理论提供了基础支持。 此后，物理学家继续用单光子进行相同的实验，表明即使在这种情况下也会形成干涉条纹。这推动了人们对光波粒二向性的认识。 然而，目前还没有人成功实现过光的时间双缝干涉。

当光波撞击包含两个在空间中分开的窄缝时，光频率保持不变，但其动量会随着向外衍射而发生变化。考虑了空间衍射后，意味着光在屏幕上的电场分布大致等于数学上空间狭缝形状的傅立叶变换。

于此相比，时间干涉固定光动量但改变其频率。 一种材料中的两条狭缝一个接一个地快速出现然后消失，可能会导致入射波保持其在空间中的路径但在频率上展开，即所谓的时间衍射。 频谱将是描述时间狭缝的函数的傅立叶变换，即实现不同频率的波之间的干涉条纹，而不是不同的空间位置的干涉。

英国伦敦帝国理工学院的 Romain Tirole等与美国和德国的研究人员合作，通过向夹在玻璃和金薄板之间厚度仅为 40 nm 的氧化铟锡层发射三个红外激光脉冲组，观察到了时间干涉条纹。具体地，三个脉冲中两个最短的脉冲充当狭缝，每个脉冲都将薄层从透明半导体短暂地转变为高度反射态的金属。 第三个脉冲的频谱将在经历时间上两次反射时被展宽。

通过测量反射探测脉冲的光谱，Tirole 等发现脉冲的初始带宽被拉伸了大约十倍，并且该频谱包含一系列峰值，这些峰值随着脉冲的中心载波频率的增加而逐渐变小。另外，他们发现泵浦脉冲之间的延迟越短，这些峰之间的距离就越远。

实验结果符合了时间衍射的预期，频谱中的峰是由不同频率的光之间的干涉产生的亮条纹。 正如传统双缝实验中的条纹在狭缝靠得更近时在空间中变得更加分散一样，在这个实验中，当狭缝在时间上彼此更近时，频率峰值在频谱上的间距也变得更大。

虽然条纹的分布与理论预测非常吻合，但是远离中心频率的峰值强度比预期的更明显。研究人员解释，实验上强度分布比预期更缓慢的衰减表明氧化铟锡对狭缝脉冲前沿的响应更快（约 10 飞秒）时间上与他们使用的红外光脉冲的一个光学周期相当。

这一发现对从新的角度理解薄层材料的基本响应具有重要参考意义。另外，这种“时变超材料”也具有多种潜在应用，包括用于信号处理和通信的快速的光开关或用于光学计算的可重构组件。

最后，目前仅限于在实验室使用超强的超快激光脉冲来创建时间双缝，因此这种产生时间双缝的技术还需要进一步的研究。