摘要：物理学的边界再次被推向新的极限。米兰理工大学领导的国际研究团队在《自然光子学》期刊上发表的最新成果，首次成功观测到了材料中一种神秘的"虚拟电荷"现象——这些电荷载流子仅在光照射期间存在，却对材料的光学响应产生决定性影响。这项突破性发现不仅颠覆了科学界对光与物质

信息来源：https://scitechdaily.com/scientists-discover-virtual-charges-that-exist-only-when-light-hits/

物理学的边界再次被推向新的极限。米兰理工大学领导的国际研究团队在《自然光子学》期刊上发表的最新成果，首次成功观测到了材料中一种神秘的"虚拟电荷"现象——这些电荷载流子仅在光照射期间存在，却对材料的光学响应产生决定性影响。这项突破性发现不仅颠覆了科学界对光与物质相互作用机制的传统认知，更为开发比现有电子器件快一千倍的拍赫兹级超高速光学设备铺平了道路。

研究团队通过阿秒级瞬态反射光谱技术，对单晶金刚石进行了前所未有的超快观测实验。他们使用持续时间仅为几阿秒——相当于十亿分之一秒的万亿分之一——的极短光脉冲照射材料，成功捕捉到了这些转瞬即逝的虚拟电荷行为。这种观测精度相当于能够记录下光线穿越原子核距离所需的时间，代表了当前实验物理学的技术极限。

超越传统理论的新发现

长期以来，物理学家们认为材料对光的响应主要由实际电荷载流子的运动决定。当光照射到固体材料时，电子会从一个能级跃迁到另一个能级，形成可观测的电流或其他光学效应。然而，这项新研究揭示了一个此前被忽视的重要机制：虚拟电荷载流子的作用。

虚拟电荷是量子力学中的一个独特概念，它们不同于传统意义上的电荷载流子，仅在特定的量子相互作用过程中短暂存在。研究团队发现，当极短的光脉冲与绝缘材料相互作用时，会在材料的电子能带之间产生所谓的"虚拟垂直跃迁"，这些跃迁虽然不会产生实际的电荷转移，但会显著影响材料的光学性质。

米兰理工大学物理系教授、该研究的资深作者马特奥·卢基尼解释道："我们的研究表明，在十亿分之几秒内发展的虚拟载流子激发对于正确预测固体中的快速光学响应是必不可少的。这完全改变了我们对光如何与固体相互作用的理解，即使在迄今为止仅归因于实际电荷运动的极端条件下也是如此。"

用于纵阿秒光脉冲的高精度光学元件。图片来源：米兰理工大学

实验技术的重大突破

这项研究的成功很大程度上归功于实验技术的重大创新。研究团队采用的阿秒级瞬态反射光谱技术，需要极其复杂的光学系统和精密的时间控制。实验装置包括由反射镜、透镜和精密仪器组成的复杂网络，能够生成、引导和检测持续时间极短的激光脉冲。

实验的核心挑战在于如何在如此短的时间尺度内准确测量材料的响应。研究人员必须确保光脉冲的持续时间足够短以捕捉虚拟电荷的瞬态行为，同时又要保证测量精度足以区分虚拟效应与实际电荷运动的贡献。这要求实验系统具有阿秒级的时间分辨率和极高的信号稳定性。

为了验证实验结果的可靠性，研究团队将观测数据与最先进的数值模拟进行了详细比较。通过量子力学计算，他们能够精确预测虚拟电荷对材料光学响应的贡献，并将其与实验观测结果进行对比。这种理论与实验相结合的方法，不仅证实了虚拟电荷现象的存在，还为理解其物理机制提供了深入洞察。

技术应用的革命性前景

这项基础科学发现的意义远远超出了理论物理学的范畴。虚拟电荷现象的发现为开发下一代超高速光学器件提供了全新的物理基础。传统的电子器件受到电子迁移速度的限制，工作频率通常在吉赫兹范围内。而基于光学原理的器件理论上可以达到拍赫兹频率，比现有技术快一千倍。

CNR-IFN研究员罗西奥·博雷戈·瓦里利亚斯指出："这些结果标志着电子学超快速技术发展的关键一步。正如本研究所证明的那样，开发能够在拍赫兹频率下运行的开关和调制器，需要对实际电荷和虚拟电荷的行为有深入的了解。"

这种超高速器件在多个领域都有重要应用价值。在通信技术方面，拍赫兹级的光学调制器可以实现前所未有的数据传输速率，为6G及更高代通信技术奠定基础。在计算机科学领域，超快光学开关可能实现光子计算机的梦想，大幅提升计算速度和能效比。

在阿秒研究中心实验室中，由反射镜、透镜和精密仪器组成的复杂网络引导超快激光脉冲。图片来源：米兰理工大学

多学科合作的科学成就

这项突破性研究是国际多学科合作的典型成果。研究团队汇集了来自意大利米兰理工大学、日本筑波大学、德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所以及意大利国家研究委员会光子学与纳米技术研究所的顶尖科学家。

这种跨国跨机构的合作模式体现了现代科学研究的特点。复杂的科学问题往往需要不同领域专家的共同努力，包括理论物理学家、实验物理学家、光学工程师和计算科学家。每个团队成员都贡献了独特的专业知识和技术资源，使得这项雄心勃勃的研究得以成功实现。

研究工作在米兰理工大学阿秒研究中心的框架内进行，得到了欧洲研究委员会ERC AuDACE项目和意大利教育部MIUR FARE PHorTUNA项目的资助。这些项目的支持不仅提供了必要的研究资金，还促进了国际间的学术交流与合作。

未来发展方向与挑战

虽然虚拟电荷现象的发现开启了新的研究领域，但要将这些基础科学发现转化为实际应用还面临许多挑战。首先，需要进一步研究不同材料中虚拟电荷的行为规律，以确定哪些材料最适合制造超快光学器件。

其次，现有的阿秒激光技术仍然相对复杂和昂贵，限制了其广泛应用。未来需要开发更加紧凑、经济的阿秒光源，使得基于虚拟电荷效应的器件能够实现商业化生产。

此外，如何有效控制和操纵虚拟电荷也是一个重要的技术挑战。虽然研究人员已经能够观测到这些现象，但要实现对虚拟电荷的精确控制，还需要更深入的理论研究和技术创新。

这项研究不仅推进了我们对光与物质相互作用基本机制的理解，更重要的是为未来的技术革命提供了新的可能性。随着研究的深入和技术的发展，基于虚拟电荷效应的超快光学器件可能成为下一代信息技术的核心组件。

来源：人工智能学家