物理學家開啟彎折光線新途徑，超透鏡與隱形裝置更近現實一步

科學家們已找到一種實現負折射的方法，也就是讓光線朝相反方向彎折。他們利用精心排列的原子陣列，而非經過人工設計的超材料。超材料是一種具備自然界中罕見特性的人工合成材料。這項突破意義重大，有望催生能突破顯微極限的超透鏡，甚至是隱形裝置。

多年來，研究人員一直尋求操控光線的新方法，不斷挑戰物理學上看似不可能的極限。光學領域最引人入勝的挑戰之一便是負折射，即光線偏離其通常路徑，朝相反方向彎折。這一現象具有顛覆性技術的潛力，可能帶來如突破顯微極限的超透鏡，以及讓物體隱形的隱形裝置等重大突破。

如今，科學家們向前邁出了重要一步。他們通過精準地將原子排列成有結構的陣列，成功展示了負折射現象，且無需複雜的人工超材料。今日（2月12日）發表於《自然通訊》期刊的一項研究中，蘭開斯特大學的雅內·魯奧斯泰科斯基教授、凱爾·巴蘭坦博士，以及日本NTT基礎研究實驗室的路易斯·魯克斯博士，揭示了一種控制原子與光線相互作用的新方法。

天然材料通過原子躍遷與光線相互作用，在此過程中，電子在不同能級之間躍遷。然而，這種相互作用過程存在顯著限制。例如，光線主要與其電場分量相互作用，而磁場分量大多未被利用。這些天然材料光學特性的固有局限，推動了依賴負折射現象的人工超材料的發展。

折射現象發生於光線穿過不同介質，如從空氣進入水或玻璃時改變方向。而負折射則是一種違反直覺的效應，光線在介質中彎折的方向與自然界中通常觀察到的相反，挑戰了人們對光線在材料中行為的傳統理解。負折射的魅力在於其具有開創性的潛在應用，例如製造能夠聚焦和成像且超越衍射極限的完美透鏡，或是研發讓物體隱形的隱形裝置。

儘管在超材料中已實現負折射，但在光學頻率下的實際應用仍受製造缺陷和非輻射損失的阻礙，這些問題仍嚴重限制了其應用範圍。蘭開斯特大學和NTT團隊的新方法涉及對光線穿過原子陣列的傳播進行逐個原子的詳細模擬。他們的研究表明，原子的協同反應能夠實現負折射，完全無需超材料。

蘭開斯特大學的雅內·魯奧斯泰科斯基教授表示：「在這種情況下，原子通過光場相互作用，集體作出反應而非獨立反應。這意味著單個原子的反應不再能簡單地預測整個系統的行為。相反，集體相互作用產生了新的光學特性，如負折射，這是單獨研究原子無法預測的。」

這些效應通過將原子捕獲在周期性光晶格中得以實現。光晶格就像由光構成的蛋盒，原子被駐波光固定在特定位置。NTT的路易斯·魯克斯博士表示：「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線之間的相互作用，為基於負折射的新技術鋪平了道路。」

光晶格中原子的集體行為具有幾個關鍵優勢。與人工製造的超材料不同，原子系統提供了一個純淨、無缺陷的介質。在這樣的系統中，光線以可控且精確的方式與原子相互作用，不會出現通常將光轉化為熱的吸收損失。這些獨特的特性使原子介質成為負折射實際應用中替代超材料的一個有前景的選擇。

參考文獻：《原子介質中光的負折射》，2025年2月12日，《自然通訊》。DOI: 10.1038/s41467 - 025 - 56250 - w