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  • 東京大學發現不對稱光折射 顛覆光學常識

    作者:客觀日本(譯) 來源:東京大學 時間:2019-08-15 13:39 閱讀:358 [投稿]
    東京大學研究生院新領域創成科學研究科的研究生豐田新悟與助教阿部伸行和教授有馬孝尚一起,通過實驗成功觀測到了在去路和歸路發生的不對稱光折射現象,并還成功地定量解釋了這種現象。

    光路通常不依賴于光的傳播方向。也就是說,光的去路和歸路是完全相同的路徑(光線的可逆性)。不過,理論預測顯示,當光在特殊磁性材料的界面折射時,去路和歸路的光路可能改變。此次,東京大學研究生院新領域創成科學研究科的研究生(研究時)豐田新悟與助教阿部伸行和教授有馬孝尚一起,通過實驗成功觀測到了在去路和歸路發生的不對稱光折射現象(圖1(b)),并還成功地定量解釋了這種現象。此次的成果顛覆了光的去路和歸路相同這一光學常識,預計將對物理學產生重大影響。相關研究論文發布在美國物理學會的快報期刊《物理評論快報》上。

    光總是沿著所有路徑中能最快通過的路徑傳播。這種現象被稱為費馬原理,是物理學領域最重要的原理之一。一般來說,即使光的傳播方向逆轉,物質中的光速也不會改變,因此無論去路還是歸路,最短時間的路徑是相同的,光路不會改變。即使是圖1(a)那樣具有雙折射特性的物質,也沒有打破這個規律。

    但此次的研究發現,在名為多鐵性材料的特殊磁性材料中,光的速度(即折射率)在去路和歸路有時是不同的。在這種物質中,去路和歸路的最短時間路徑也不同,如圖1(b)所示,光的傳播方向改變就會導致光路產生偏移。以前提出過這種去路和歸路存在不對稱光傳播現象的理論,但一直沒有相關的實驗報告。其原因是,光的傳播方向逆轉所引起的折射率變化通常都非常小。


    圖1.(a)普通物質中的雙折射現象。即使光的傳播方向逆轉,光路也不會改變。例如,光從點X向點Y前進時,同樣也可以從點Y返回點X。(b)此次在偏硼酸銅(CuB2O4)中發現的不對稱折射現象。即使光是從點X向點Y前進,但傳播方向逆轉后,光會到達另一個點X’。也就是說,光的去路和歸路發生了變化。

    研究小組此前發現,偏硼酸銅這種物質的光響應性例外地顯示出很大的不對稱性,并且認為其不對稱的程度足夠觀測到光路的偏移。另外,在實驗中,通過逆轉光的傳播方向,以及通過等效磁場反轉測量光軸的位移,實現了對光路偏移的精確測量。最終,研究小組通過磁場反轉測量到了0.50微米的光軸位移,成功觀測到了不對稱折射現象。另外還確認,觀測到的位移量與利用費馬原理預測的值定量一致。

    此次發現的不對稱折射現象只能在偏硼酸銅變為磁鐵的條件下、也就是在零下252攝氏度以下的低溫下才能觀測到。不過,隨著研究的進步,今后如果能開拓出在常溫下滿足上述條件的物質,則有望應用于光學元件等。

    原文鏈接:http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry754/ 

    相關鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.077401

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