科學(xué)家首次證明，無(wú)需人工制造的超材料，僅利用原子陣列就能實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直尋求以看似違背自然定律的方式來(lái)控制光。

負(fù)折射現(xiàn)象——即光以與通常行為相反的方向彎曲——因其徹底改變光學(xué)的潛力而吸引了研究人員，使超透鏡和隱形裝置等變革性技術(shù)成為可能。

如今，精心排列的原子陣列使這些可能性更近了一步，無(wú)需人工制造的超材料即可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。

在《自然·通訊》上發(fā)表的研究中，蘭卡斯特大學(xué)物理學(xué)教授Janne Ruostekoski和Kyle Ballantine博士與日本NTT基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的Lewis Ruks博士展示了一種控制原子與光相互作用的新方法。

圖片:搜狗截圖20250212230631.png

光通過(guò)原子介質(zhì)的負(fù)折射和透射

天然材料通過(guò)原子躍遷與光相互作用，電子在不同能級(jí)之間跳躍。然而，這種相互作用過(guò)程存在顯著限制。例如，光主要與其電場(chǎng)分量相互作用，而磁場(chǎng)分量則基本未被利用。

天然材料光學(xué)特性的這些固有局限性推動(dòng)了人工設(shè)計(jì)的超材料的發(fā)展，這些超材料依賴于負(fù)折射現(xiàn)象。

當(dāng)光通過(guò)空氣進(jìn)入水或玻璃等介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射。然而，負(fù)折射是一種反直覺(jué)效應(yīng)，光在介質(zhì)中彎曲的方向與自然界中通常觀察到的方向相反，挑戰(zhàn)了人們對(duì)光在材料中行為的傳統(tǒng)理解。

負(fù)折射的吸引力在于其開(kāi)創(chuàng)性的潛在應(yīng)用，例如創(chuàng)建能夠聚焦和成像超出衍射極限的完美透鏡，或開(kāi)發(fā)使物體隱形的隱形裝置。

盡管負(fù)折射已在超材料中實(shí)現(xiàn)，但在光學(xué)頻率下的實(shí)際應(yīng)用仍受到制造缺陷和非輻射損耗的阻礙，這些因素嚴(yán)重限制了應(yīng)用。

蘭卡斯特大學(xué)和NTT團(tuán)隊(duì)的新方法涉及對(duì)光通過(guò)原子陣列傳播的詳細(xì)原子級(jí)模擬。他們的工作表明，原子的協(xié)同響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，從而完全不需要超材料。

蘭卡斯特大學(xué)的Janne Ruostekoski教授表示：“在這種情況下，原子通過(guò)光場(chǎng)相互作用，集體響應(yīng)而非獨(dú)立響應(yīng)。這意味著單個(gè)原子的響應(yīng)不再能簡(jiǎn)單指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)的行為。相反，集體相互作用產(chǎn)生了涌現(xiàn)的光學(xué)特性，例如負(fù)折射，這是無(wú)法通過(guò)單獨(dú)檢查單個(gè)原子來(lái)預(yù)測(cè)的�！�

這些效應(yīng)是通過(guò)將原子捕獲在周期性光學(xué)晶格中實(shí)現(xiàn)的。光學(xué)晶格就像由光制成的“蛋盒”，原子被駐波固定。

NTT的Lewis Ruks博士表示：“這些精確排列的原子晶體使研究人員能夠以極高的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)晶格中原子的集體行為提供了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。與人工制造的超材料不同，原子系統(tǒng)提供了一個(gè)無(wú)制造缺陷的原始、清潔介質(zhì)。在這樣的系統(tǒng)中，光以受控且精確的方式與原子相互作用，而不會(huì)產(chǎn)生通常將光轉(zhuǎn)化為熱的吸收損耗。

這些獨(dú)特的特性使原子介質(zhì)成為負(fù)折射實(shí)際應(yīng)用中超材料的有前途的替代品。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-56250-w