光子能在原子云中度过负时间的实验证据

当光脉冲穿过材料时，会产生称为群延迟的时间延迟。光子所经历的群延迟是否应归因于它们作为原子激发所度过的时间？尽管这种联系看似合理，但当光的频率接近原子共振时，它似乎存在问题，因为在该机制下群延迟变为负值。为了解决这个问题，我们利用交叉克尔效应，通过测量一束微弱且失谐的独立光束上的相移，来探测共振透射光子引起的原子激发程度。我们的结果，在一系列脉冲持续时间和光学深度范围内，与最近的理论预测一致，即透射光子引起的平均原子激发时间（通过观测相移的时间积分来测量）等于光所经历的群延迟。具体而言，我们测量的平均原子激发时间范围从最窄带脉冲的 $(-0.82\pm 0.31) \tau_0$ 到最宽带脉冲的 $(0.54\pm 0.28) \tau_0$，其中 $\tau_0$ 是非后选择激发时间，由散射（吸收）概率乘以原子寿命 $\tau_{\rm sp}$ 给出。这些结果表明，诸如群延迟等时间所取的负值比通常认为的具有更多的物理意义。