光路通常不依賴于光的傳播方向。也就是說(shuō)，光的去路和歸路是完全相同的路徑（光線的可逆性）。不過(guò)，理論預(yù)測(cè)顯示，當(dāng)光在特殊磁性材料的界面折射時(shí)，去路和歸路的光路可能改變。此次，東京大學(xué)研究生院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)研究科的研究生（研究時(shí)）豐田新悟與助教阿部伸行和教授有馬孝尚一起，通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功觀測(cè)到了在去路和歸路發(fā)生的不對(duì)稱光折射現(xiàn)象（圖1（b）），并還成功地定量解釋了這種現(xiàn)象。此次的成果顛覆了光的去路和歸路相同這一光學(xué)常識(shí)，預(yù)計(jì)將對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生重大影響。相關(guān)研究論文發(fā)布在美國(guó)物理學(xué)會(huì)的快報(bào)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

光總是沿著所有路徑中能最快通過(guò)的路徑傳播。這種現(xiàn)象被稱為費(fèi)馬原理，是物理學(xué)領(lǐng)域最重要的原理之一。一般來(lái)說(shuō)，即使光的傳播方向逆轉(zhuǎn)，物質(zhì)中的光速也不會(huì)改變，因此無(wú)論去路還是歸路，最短時(shí)間的路徑是相同的，光路不會(huì)改變。即使是圖1（a）那樣具有雙折射特性的物質(zhì)，也沒(méi)有打破這個(gè)規(guī)律。

但此次的研究發(fā)現(xiàn)，在名為多鐵性材料的特殊磁性材料中，光的速度（即折射率）在去路和歸路有時(shí)是不同的。在這種物質(zhì)中，去路和歸路的最短時(shí)間路徑也不同，如圖1（b）所示，光的傳播方向改變就會(huì)導(dǎo)致光路產(chǎn)生偏移。以前提出過(guò)這種去路和歸路存在不對(duì)稱光傳播現(xiàn)象的理論，但一直沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。其原因是，光的傳播方向逆轉(zhuǎn)所引起的折射率變化通常都非常小。

圖1.（a）普通物質(zhì)中的雙折射現(xiàn)象。即使光的傳播方向逆轉(zhuǎn)，光路也不會(huì)改變。例如，光從點(diǎn)X向點(diǎn)Y前進(jìn)時(shí)，同樣也可以從點(diǎn)Y返回點(diǎn)X。（b）此次在偏硼酸銅（CuB₂O₄）中發(fā)現(xiàn)的不對(duì)稱折射現(xiàn)象。即使光是從點(diǎn)X向點(diǎn)Y前進(jìn)，但傳播方向逆轉(zhuǎn)后，光會(huì)到達(dá)另一個(gè)點(diǎn)X’。也就是說(shuō)，光的去路和歸路發(fā)生了變化。

研究小組此前發(fā)現(xiàn)，偏硼酸銅這種物質(zhì)的光響應(yīng)性例外地顯示出很大的不對(duì)稱性，并且認(rèn)為其不對(duì)稱的程度足夠觀測(cè)到光路的偏移。另外，在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)逆轉(zhuǎn)光的傳播方向，以及通過(guò)等效磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)測(cè)量光軸的位移，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光路偏移的精確測(cè)量。最終，研究小組通過(guò)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)測(cè)量到了0.50微米的光軸位移，成功觀測(cè)到了不對(duì)稱折射現(xiàn)象。另外還確認(rèn)，觀測(cè)到的位移量與利用費(fèi)馬原理預(yù)測(cè)的值定量一致。

此次發(fā)現(xiàn)的不對(duì)稱折射現(xiàn)象只能在偏硼酸銅變?yōu)榇盆F的條件下、也就是在零下252攝氏度以下的低溫下才能觀測(cè)到。不過(guò)，隨著研究的進(jìn)步，今后如果能開拓出在常溫下滿足上述條件的物質(zhì)，則有望應(yīng)用于光學(xué)元件等。

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相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.077401