佛羅裏達大學的研究人員開發出一種新型的激光束，它不遵循長期以來關(guan) 於(yu) 光如何折射和傳(chuan) 播的原理。該發現最近發表在《自然光子學》上，可能對光通信和激光技術產(chan) 生巨大影響。

佛羅裏達大學光學與(yu) 光子學院的教授、該研究的主要研究者、艾曼·阿布瓦迪（Ayman Abouraddy）說：“這種新型的激光束具有與(yu) 普通激光束沒有的獨特特性。”

光束被稱為(wei) 時空波包，在折射時（即穿過不同的材料時）遵循不同的規則。通常，光線進入較密的材料時會(hui) 變慢。

阿布瓦迪表示，“相比之下，時空波包可以安排成以通常的方式運行，根本不改變速度，甚至在密度更大的材料中異常地加快速度，” “因此，這些光脈衝(chong) 可以同時到達空間的不同點。”

“想想裝滿水的玻璃杯裏的湯匙在水和空氣相遇的地方看起來像是破損的，” “空氣中的光速不同於(yu) 水中的光速。因此，光線在穿過空氣與(yu) 水之間的表麵後會(hui) 彎曲彎曲，因此湯匙顯然會(hui) 彎曲。這是眾(zhong) 所周知的斯涅爾定律描述的現象。”

盡管仍然使用斯涅爾定律，但脈衝(chong) 速度的根本變化不再適用於(yu) 新的激光束，這些能力與(yu) 費馬原理（Fermat's Principle）相反，費馬原理說光總是在行進，因此走的路最短。

“盡管我們(men) 發現，無論光通過的材料有多麽(me) 不同，我們(men) 始終存在一個(ge) 時空波包，它可以穿越兩(liang) 種材料的界麵而不會(hui) 改變其速度，” “因此，不管介質的屬性是什麽(me) ，它都會(hui) 穿過接口並繼續存在，就像它不在那裏一樣。”

對於(yu) 通信，這意味著在這些數據包中傳(chuan) 播的消息的速度不再受通過不同密度的不同材料傳(chuan) 播的影響。

“如果考慮到一架飛機試圖與(yu) 兩(liang) 艘潛艇在同一深度進行通信，但其中一艘很遠，而另一艘則在附近，那麽(me) 相距較遠的那一架將比附近的一架更長。” “我們(men) 發現我們(men) 可以安排脈衝(chong) 傳(chuan) 播，使它們(men) 同時到達兩(liang) 艘潛艇。實際上，現在發送脈衝(chong) 的人甚至不需要知道潛艇在哪裏，隻要它們(men) 在同一深度。所有這些潛艇將同時接收脈衝(chong) ，因此可以盲目同步它們(men) ，而無需知道它們(men) 在哪裏。”

該研究團隊通過使用一種稱為(wei) 空間光調製器的設備來重組時空波包，以重組光脈衝(chong) 的能量，從(cong) 而使其在空間和時間上的特性不再分離。這使他們(men) 能夠控製光脈衝(chong) 的“群速度”，這大約是脈衝(chong) 峰值傳(chuan) 播的速度。

先前的工作表明，該團隊具有控製時空波包的群速度的能力。當前的研究基於(yu) 這項工作，發現它們(men) 還可以控製時空波包通過不同媒體(ti) 的速度。這與(yu) 狹義(yi) 相對論沒有任何矛盾，因為(wei) 它適用於(yu) 脈衝(chong) 峰值的傳(chuan) 播，而不是適用於(yu) 光波的基本振蕩。

阿布瓦迪說：“我們(men) 正在開發的這個(ge) 新領域光束的新概念，” “結果，我們(men) 研究使用的這些光束揭示了新的行為(wei) 。我們(men) 所知的關(guan) 於(yu) 光的所有行為(wei) 實際上都隱含著一個(ge) 潛在的假設，即它在空間和時間上的特性是可分離的。因此，在光學方麵我們(men) 所知道的就是基於(yu) 這是一個(ge) 內(nei) 在的假設。它被視為(wei) 自然狀態。但是現在，這一基本假設被打破，我們(men) 開始在各處看到新的行為(wei) 。”

“我們(men) 相信，時空波包可以提供更多的功能，使用它們(men) 可以揭示更多有趣的效果。”該研究的下一步工作包括研究這些新的激光束與(yu) 諸如激光腔和光纖之類的設備之間的相互作用，以及將這些新見解應用於(yu) 物質。

參考：Anomalous refraction of optical spacetime wave packets, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-0645-6