科技日報記者 劉霞

來自英國蘭卡斯特大學(xué)與日本電報電話公司的科學(xué)家首次證實，使用原子陣列即可實現(xiàn)負(fù)折射，而無須依賴人工制造的“超材料”。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)超透鏡和新型隱形設(shè)備鋪平了道路。相關(guān)論文發(fā)表于12日出版的《自然·通訊》雜志。

當(dāng)光線通過不同介質(zhì)的界面，例如從空氣進(jìn)入水或玻璃時，傳播方向會發(fā)生改變，出現(xiàn)折射現(xiàn)象。負(fù)折射指光束在界面處的折射方向與正常折射方向相反。這一現(xiàn)象備受科學(xué)家關(guān)注，因為其有可能徹底顛覆光學(xué)領(lǐng)域，帶來突破性應(yīng)用。例如，科學(xué)家可以基于這一現(xiàn)象，創(chuàng)造出能夠超越衍射極限進(jìn)行聚焦和成像的超透鏡，或開發(fā)出使物體隱形的裝置。

盡管科學(xué)家已經(jīng)通過人工制造的“超材料”實現(xiàn)了負(fù)折射，但這些“超材料”制備困難，容易出現(xiàn)缺陷，還會導(dǎo)致非輻射損耗，從而嚴(yán)重限制了負(fù)折射現(xiàn)象的實際應(yīng)用。

在最新研究中，科學(xué)家對傳播光的原子陣列逐個原子地進(jìn)行了詳細(xì)模擬。結(jié)果表明，原子的協(xié)同響應(yīng)可以實現(xiàn)負(fù)折射。他們解釋說，在這種情況下，原子通過光場相互作用，集體而非獨立地做出反應(yīng)。這種集體相互作用會產(chǎn)生新的光學(xué)特性，例如負(fù)折射。

隨后，研究團(tuán)隊通過在周期性光學(xué)晶格中捕獲原子，實現(xiàn)了這些效應(yīng)。光學(xué)晶格就像由光組成的“雞蛋盒”，原子被駐波穩(wěn)定地固定在適當(dāng)位置。

團(tuán)隊表示，這些精確排列的原子晶體使他們能以極高精度控制原子與光之間的相互作用，為基于負(fù)折射的新技術(shù)鋪平了道路。

光學(xué)晶格內(nèi)原子的集體行為具有顯著優(yōu)勢。與人工制造的“超材料”不同，原子系統(tǒng)提供了一種沒有制造缺陷的、原始且純凈的介質(zhì)。在這種系統(tǒng)中，光以精確受控的方式與原子相互作用，而不會出現(xiàn)熱損失。這些獨特的性質(zhì)使原子介質(zhì)能夠替代“超材料”，在負(fù)折射實際應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手。