有三种方法可让光速慢下来，但并不否定光速最快光速恒定的性质

光速最快光速恒定是现代物理学基本杠杠，自从爱因斯坦广义相对论定下了这个杠杠，历经100年检验越来越牢不可破。

但不少人有这样一个疑问，有没有办法让光速慢下来呢？

当然有，如果不设定条件，起码有三种方法。

第一种方法太容易了，不同的介质就能够得到不同的光速。

光速常量的精确值为299792458m/s，就是每秒约30万公里。但这种速度是指在真空中，在不同的介质中 ，光速有不同的速度，但都是会慢一些。

因此，要让光速慢下来，在不同的介质中就可以实现。

光的传输速度在玻璃中每秒约20万公里，在酒精中每秒约22万公里，在水中每秒约22.5万公里，在冰中每秒约23万公里。

空气对光的折射率为1.0008，因此光在空气中的传播速度为299792458/1.0008=299552816m/s。

因此光在空气中的速度衰减一般忽略不计，和真空中一样，一般都采用每秒约30万公里。

那么这个世界有没有一种环境可以让光速在真空中慢下来或者停滞呢？

有人提出了绝对零度可以把光冻住。

绝对零度就是热力学温度0 K，又叫零开尔文，相对摄氏度为-273.15℃。

绝对零度可以把光冻住吗？当然可以。

我们知道现代物理学有两块天花板，一块就是光速极限，这个世界上没有物质能够达到和超越光速，一个最小的粒子也不行；还有一块就是绝对零度，是我们世界理论上的最低温度，只可意会，不可言传，也就是不可能达到。

这两块天花板在目前理论框架下是无法突破的。

既然不可能达到，因此即便有人认为绝对零度能够把光冻住，也无法实现。

事实上，理论上认为，绝对零度绝不是把光冻住那么简单，而是象征着死寂。

死寂不是某一个生物或者事物的死亡，是一切都化为乌有。

达到了绝对零度，不是光子会冻住，而是没有了光子，密度为零，空间为零，运动停止，整个世界都没有了，更没有了我们这些观测者，所有现有的理论和规律都失效了，主导世界的四种基本力也没有了，谁去观测了解光子是冻住了还是没有冻住？理论上就是乌有了，还怎么冻住？

因此这种“冻住”的办法不在三种办法里面算账。

那么就是说光在真空中是没办法减速的了？显然不是这样，我们有科学家早就做过实验了，制造一个特殊环境，光在真空中的速度就可以慢下来。

其实，并不一定要到绝对零度，当物质非常接近绝对零度时，就会发生奇异的变化。

比如玻色~爱因斯坦凝聚态。

这是将光减速的第二种办法。

所谓玻色~爱因斯坦凝聚，是1924年玻色和爱因斯坦从理论上预言存在的一种物质状态，他们认为当温度足够低，原子运动速度足够慢时，它们会集聚到能量最低的同一量子态，所有原子就像一个原子一样，物理性质会完全相同。

玻色-爱因斯坦凝聚专指玻色子原子在冷到接近绝对零度时，所呈现出的状态。

这个温度有多低？

宇宙微波背景辐射约2.7K，也就是约-270.45℃，科学家们认为在宇宙最冷的回力棒星云，温度只有1K。

但目前人类在国际空间站上已经制造出-273.149999999999℃的温度，就是距离绝对零度只差0.000000000001℃，差万亿分之一开尔文就到了绝对零度。

玻色-爱因斯坦凝聚态就是在这种超低温状态下(根据被冷冻的玻色子不同，温度也不同）获得的。

在极低温度下，玻色子性质发生根本变化，呈现出气态或超流物质状态（物态），被认为是物质除了固态、液态、气态、等离子态后的第五态。

这个世界上已经发现了几百种粒子，通过长期研究认识，被科学家们分为两大类，即玻色子和费米子。

玻色子不遵循泡利不相容原理，费米子则相反。玻色子自旋量子数为整数0、1......，费米子自旋量子数为半整数1/2、3/2......。

玻色子有两种：基本玻色子主要有传递基本相互作用的胶子、光子、z、引力子，和给其他粒子提供能量的希格斯粒子，俗称“上帝粒子”；复合玻色子由偶数个费米子组成，有介子、氘核、氦-4等。

费米子有轻子、核子和超子，包括中子、质子都属于费米子，具有在低温下发生费米子凝聚态的性质，被认为是物质的第六态。

但光子属于玻色子，我们今天是讲光速怎么变慢，所以就主要讲玻色子凝聚态，不讲费米子凝聚态了。

科学家们在1995年就制造出了波色~爱因斯坦凝聚态，从而实现了这二位科学家的预言。

那么光子在玻色~爱因斯坦凝聚状态下会呈现一种什么样的性质呢？

这种性质符合量子力学的基本原则~不确定性原理。这个理论认为，粒子的动量（或速度）越精确，其位置就越无法精确，反之亦然。极低温度下玻色子原子由于动量极小，因此位置就非常不确定，占据的体积大大增加，原子波函数叠加在一起，重叠合并成为玻色-爱因斯坦凝聚态。

玻色-爱因斯坦凝聚态具有许多有趣的特性，比如它们导致了非常高的光学密度差，这样使用激光可以改变其原子状态，使它们对一定的频率和折射率骤增，光速就会在其中骤降，达到每秒几米甚至冻结。

1999年，丹麦物理学家莱娜·韦斯特高·豪领导的一个团队，就成功利用超流体减缓了一束光的速度，达到每秒17米，到了2001年，她已经能够让一束光完全冻结。

这种对光减速并冻结的技术，实际上是在玻色-爱因斯坦凝聚状态下，光穿过超冷气体，并与这些气体粒子发生作用导致的现象，这项研究揭示了光和物质相互作用转化的一些机制，对量子加密和量子计算技术开发有着重要意义。

玻色-爱因斯坦凝聚态是一个很复杂甚至难以理解的过程，作为科普，我们只要知道在这种状态下光速能够减慢就行了。

当然，这种光速减慢并非光本身基本性质有什么变化，只是发现了光子在某种特定条件下具有某些新的特性。这项研究为人类打开了另一扇门，将会带给我们一片新的天地。

光的第三种减速方法，是提高人类捕捉光的速度，从而让光在我们眼中变成蜗牛。

所谓“眼光”本身当然没有什么光，这个问题我在过去有过多次阐述，有兴趣的朋友可以参看过去时空通讯发表的文章。

这里说的提高人类捕捉光的速度，是借助人类智慧发明的仪器设备。

在我们日常生活中，光速太快了，唰的一下，一秒钟就可以围绕着地球转几圈，怎么来捕捉到光速呢？现代飞秒摄像技术，从另一个角度为我们放慢了光速。

1秒看起来很短，但现代理论却把秒分成很长的一串数字。

1秒等于1000毫秒，1毫秒等于1000微秒，1微秒等于1000纳秒，1纳秒等于1000皮秒，1皮秒等于1000飞秒，1飞秒等于1000阿秒，1阿秒等于1000仄秒，1仄秒等于1000幺秒。

这就是时间的微观单位。

飞秒摄像的寓意就是摄像速度快到每飞秒1帧，飞秒是多少？是1千万亿分之一秒。

实际上，现在的所谓飞秒技术并没有达到那么高。据报道，美国加州理工学院研究人员发明了一个高科技设备叫CalTech，是迄今世界上最快的相机，每秒钟可以拍摄10万亿帧。

这比飞秒慢了100倍，但比皮秒要快10倍，所以介于皮秒和飞秒之间，号称飞秒摄像机也不为过。

光速每秒约3亿米，这台相机每秒可以拍摄10万亿帧，也就是每帧照片上光速只移动了10万分之一米，1米为1000毫米，光速每移动1毫米就被拍摄了100次，这样光走的再快也被捕捉现了原形。

这里说的是光速本身没有慢，但由于人的眼睛借助自己的发明变快了，相对来说，在这样的火眼金睛下，光速就变成了慢动作。

现在，科学家们还嫌这个速度慢了，希望有朝一日真正达到飞秒级，就是每秒1000万亿帧的拍摄速度，让光速在人类面前变得比蜗牛爬还要慢。

光速虽快，但在不断求索的人类面前，有的是办法让他慢下来。

这种慢并没有推翻人类对光速性质的认识。

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科学家在室温下实现强慢光效应，实现超长光子寿命和超慢光速

“我们测到了高达 2750 的 Q 值，是已有文献纪录值数倍之高，并实现了超长的光子寿命和超慢的光速，将光速减慢了 1 万倍以上。” 中国科学院深圳先进技术研究院李光元副研究员表示。

图 | 李光元（来源：李光元）

本次成果的另一大创新之处在于：由于面内电四偶极表面晶格共振在 Γ 点具备转换为连续域束缚态的特性。

而面内电四偶极表面晶格共振与电偶极表面晶格共振在耦合之后，所能实现的类电磁诱导透明现象，也继承了连续域束缚态的特性。

这时，在入射角或辐射角趋于 0 时，Q 值和群折射率也趋于无穷大。因此，基于这种具有连续域束缚态特性的类电磁诱导透明现象，有望实现趋于零的光速（即光冻结）。

研究中，课题组通过超构表面类电磁诱导透明现象实现了慢光效应，因此很有希望用于非线性光学、光传感和光时延等应用场景中，从而极大增加超构表面中光与物质的有效作用距离，进而极大提高超构表面光子芯片器件的性能，进而加快这些器件的产业化。

对于类电磁诱导透明慢光效应来说，它由两种表面晶格共振形成的而来。而被极大增强的近场电场，主要分布在纳米结构之外的范围内。

这样一来，就能极大增强光与纳米结构外的物质、与有源材料之间的相互作用，借此大大提高发光显示、夜视成像、电光调制、生化痕量光学传感、非线性光学频率转换等器件的性能。

从光速变缓说起

要想理解本次成果，先要从慢光效应说起。这种效应是指光速减慢乃至停滞的物理现象。由于光速减慢，光的能量密度增大，光与物质之间的等效作用距离拉长，从而能在更短的光电器件尺寸上获得更高的性能。

因此，在光传感、光调制、光互连、光缓存、乃至光合作用等领域，慢光效应都具有重要的应用价值。

1999 年，美国哈佛大学团队首次采用电磁诱导透明（EIT，Electromagnetic induced transparency）技术，在 450nK 的超冷原子气中，把光速成功减到 17m/s。2000 年，在上述团队的努力之下，成功将光冻结 1 分钟。

然而，对于这种电磁诱导透明慢光实验来说，不仅实验条件十分苛刻，实验装置也极其冗杂，极大阻碍了该类技术的实用化。

之后，基于布拉格光栅、受激布里渊散射、光子晶体等，人们发展了多种慢光方法。然而，这些方法的光速减慢性能，均会受到损耗问题的限制。

近年来，超构材料和超构表面——被广泛认为是光电器件的颠覆者。2008 年，学界首次在基于金属材料的超构材料和超构表面中，利用“明”和“暗”两种局域等离激元模式（LSPRs，Localized surface plasmon resonances）的法诺共振，实现了类电磁诱导透明的现象和慢光效应。

当处于光波段的时候，类电磁诱导透明结构——是一种最常用的超构表面，它的外观呈现出一张 π 型结构，由一对纳米长棒和一对纳米短棒组成。

其中，纳米长棒支持电偶极 LSPR（“明”模式），纳米短棒支持电四偶极 LSPR（“暗”模式）。

然而，金属材料的吸收损耗、以及纳米结构的散射损耗都比较高。在这种情况之下，等离激元超构表面的类电磁诱导透明效应的品质因子（Q 值）极低甚至低于 20，从而导致慢光系数仅有 40 左右，这意味着光速只能被减慢 40 倍。

为了降低材料的吸收损耗，2014 年有研究人员采用全电介质超构表面，来实现类电磁诱导透明现象，即利用两个米氏局域模式之间的法诺共振，让 Q 值达到 380 左右。

在这些局域型超构表面类电磁诱导透明的效应中，为了获得较高的 Q 值和透射率，需要将分别支持“明”“暗”模式的两种纳米结构尽量地靠近，而这会给纳米加工提出极高的挑战。

由于超构表面的厚度极薄，其在光波段的厚度一般仅为几十到数百纳米不等，导致光与物质的作用距离十分有限，这限制了超构表面光子芯片器件实用化，也是超构表面光子芯片产业化所面临的一大“痛点”。

（来源：Nano Letters）

助力超构表面芯片器件的光减速

而在本次研究之中，课题组将两种电介质纳米结构的间距取为 0，即将两者合并为一个纳米结构。此时，由这种结构所支持的米氏电偶极和电四偶极局域模式，分别处于不同的频率位置，无法被调谐到相同频率。

这样一来，进一步地将这两个米氏局域模式，分别与沿着面内 x 和 y 方向两个方向的瑞利异常衍射相干进行耦合，从而获得米氏电偶极表面晶格共振和电四偶极表面晶格共振。

通过调节 x 或 y 方向的晶格周期，可以使这两个表面晶格共振的共振频率相同，二者通过法诺共振能够实现超构表面类电磁诱导透明现象。

表面晶格共振的好处在于，面对已经极大增强的近场电场，它能将后者从纳米结构中拉出来。这时，材料的吸收损耗就会被极大抑制。

同时，纳米结构对于光的面内散射，能被阵列中的其他纳米结构捕获，这样一来光子寿命就能被延长，散射损耗也会被极大抑制。

进一步地，这种依靠两种米氏表面晶格共振实现的类电磁诱导透明现象，就能拥有超高的 Q 值。

据介绍，该团队长期致力于研究超构表面的损耗抑制机理。就本次研究来说，他们最初希望通过探索米氏电四偶极表面晶格共振这种高阶模式，来获得具有超低损耗的超构表面。

在进行仿真研究的时候，他们偶然发现同时存在的米氏电偶极表面晶格共振和电四偶极表面晶格共振，可以分别通过改变 x 和 y 方向的晶格周期，来独立地调控其共振波长。

当二者共振波长相同也就是失谐为 0 的时候，开始出现超高 Q 值的超构表面类电磁诱导透明现象，从而能够获得极强的慢光效应。

通过一系列的实验，课题组确定所观察到的现象，确实是类电磁诱导透明现象。同时，他们还设计了一系列参数，确保可以测量到超高 Q 值。

而在实验验证阶段，他们累计进行三次独立的样品加工和光学测试，反复确认了实验现象和实验数据的可靠性。

而在仿真优化和实验设计阶段，该团队原本只探讨了如下这种现象：即由直入射激励的、不具有连续域束缚态特性的类电磁诱导透明慢光现象。

然而，在多次实验验证之中，他们发现了两个意外现象：

其一，在原本不具有类电磁诱导透明慢光现象的样品中，发现了一个非预期的类电磁诱导透明窗口；

其二，在原本具有一个类电磁诱导透明窗口的样品中，发现两个类电磁诱导透明窗口。

为了理解这些奇异现象，他们针对实验光路进行了仔细检查，结果发现由于样品没有完美垂直于入射而光导致了上述现象，这意味着入射光在略微偏离直入射时，也能诱导一个新的类电磁诱导透明窗口。

于是基于这些样品，他们在改变入射角的情况下，开展了新的实验，并首次发现了这种具有连续域束缚态特性的类电磁诱导透明慢光现象。

尽管该团队没能按照原计划做研究，但是这个出乎意料的类电磁诱导透明慢光效应，比原定的课题内容更加重要。因为对于超构表面芯片器件的光减速来说，本次成果提供了一种简单可行的有效途径。

最终，相关论文以《集体-集体耦合引起的超高 Q 值超表面透明带》（Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective–Collective Coupling）为题发在 Nano Letters[1]。Zhao Xueqian 是第一作者，李光元担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nano Letters）

力争实现 100% 的技术转化率

未来，针对具有连续域束缚态特性的超构表面类电磁诱导透明慢光效应，他们将开展进一步的挖掘，争取实现“光速能被减慢十万倍乃至上百万倍”的超构表面类电磁诱导透明现象。

同时，针对慢光效应在超构表面光子芯片、特别是在生化光传感芯片和发光芯片等器件上的实际应用，他们也将启动进一步的探索。

而对于李光元所在的中国科学院深圳先进技术研究院，人们可能更加熟悉这里的生物医学成果。

事实上，信息技术（IT，Information Technology）和生物科技（BT，Bioresource Technology）都是影响人类发展的重要技术，前者是过去数十年全球发展的重要推动力，后者则是各国一致看好的具有巨大发展潜力的领域。

同时，在 IT 与 BT 这两个领域愈发显示出交叉融合发展的趋势。李光元表示：“中国科学院深圳先进技术研究院聚焦 IT 与 BT 的融合发展，致力于为生物医学和生命健康领域提供新方法、新工具和新材料。”

他所在的光电工程技术中心在吕建成研究员的带领下，旨在以市场为导向，主要面向工业安防、生命健康和海洋环境开展光电成像和传感的共性关键技术和仪器设备的研发，力争实现 100% 的技术转化率。

参考资料：

1.Zhao, X., Huang, R., Du, X., Zhang, Z., & Li, G. (2024). Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective–Collective Coupling. Nano Letters.

运营/排版：何晨龙

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