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  • 东京大学发现不对称光折射 颠覆光学常识

    作者:客觀日本(译) 来源:东京大学 时间:2019-08-15 13:39 阅读:308 [投稿]
    东京大学研究生院新领域创成科学研究科的研究生丰田新悟与助教阿部伸行和教授有马孝尚一起,通过实验成功观测到了在去路和归路发生的不对称光折射现象,并还成功地定量解释了这种现象。

    光路通常不依赖于光的传播方向。也就是说,光的去路和归路是完全相同的路径(光线的可逆性)。不过,理论预测显示,当光在特殊磁性材料的界面折射时,去路和归路的光路可能改变。此次,东京大学研究生院新领域创成科学研究科的研究生(研究时)丰田新悟与助教阿部伸行和教授有马孝尚一起,通过实验成功观测到了在去路和归路发生的不对称光折射现象(图1(b)),并还成功地定量解释了这种现象。此次的成果颠覆了光的去路和归路相同这一光学常识,预计将对物理学产生重大影响。相关研究论文发布在美国物理学会的快报期刊《物理评论快报》上。

    光总是沿着所有路径中能最快通过的路径传播。这种现象被称为费马原理,是物理学领域最重要的原理之一。一般来说,即使光的传播方向逆转,物质中的光速也不会改变,因此无论去路还是归路,最短时间的路径是相同的,光路不会改变。即使是图1(a)那样具有双折射特性的物质,也没有打破这个规律。

    但此次的研究发现,在名为多铁性材料的特殊磁性材料中,光的速度(即折射率)在去路和归路有时是不同的。在这种物质中,去路和归路的最短时间路径也不同,如图1(b)所示,光的传播方向改变就会导致光路产生偏移。以前提出过这种去路和归路存在不对称光传播现象的理论,但一直没有相关的实验报告。其原因是,光的传播方向逆转所引起的折射率变化通常都非常小。


    图1.(a)普通物质中的双折射现象。即使光的传播方向逆转,光路也不会改变。例如,光从点X向点Y前进时,同样也可以从点Y返回点X。(b)此次在偏硼酸铜(CuB2O4)中发现的不对称折射现象。即使光是从点X向点Y前进,但传播方向逆转后,光会到达另一个点X’。也就是说,光的去路和归路发生了变化。

    研究小组此前发现,偏硼酸铜这种物质的光响应性例外地显示出很大的不对称性,并且认为其不对称的程度足够观测到光路的偏移。另外,在实验中,通过逆转光的传播方向,以及通过等效磁场反转测量光轴的位移,实现了对光路偏移的精确测量。最终,研究小组通过磁场反转测量到了0.50微米的光轴位移,成功观测到了不对称折射现象。另外还确认,观测到的位移量与利用费马原理预测的值定量一致。

    此次发现的不对称折射现象只能在偏硼酸铜变为磁铁的条件下、也就是在零下252摄氏度以下的低温下才能观测到。不过,随着研究的进步,今后如果能开拓出在常温下满足上述条件的物质,则有望应用于光学元件等。

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

    相关链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.077401

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