科學家研製新型“時空波包”鐳射束 能夠以相同速度穿越不同的介質

經典物理規則寫道：光在不同介質中以不同的速度傳播，且在密度較大材料中的速度會變慢。

以某個經典的基礎實驗為例，當將勺子放入水中時，與空氣不同的折射率，會讓我們看到勺子“被彎折”的視覺效果。

斯涅爾定律（Snell‘s law）指出，因為光在水中的傳播速度比在空氣中要慢，才會發生這種折射現象。

（來自：University of Central Florida）

然而讓我們感到驚訝的是，佛羅里達中央大學的研究團隊，已經研製出了一種違背經典物理學理論的新型鐳射束。

除了上面提到的斯涅爾折射定律，新研究還無視了光總是走最短路徑的費馬原理（Fermat’s Principle）。

研究配圖 - 1：時空波包的動態折射

研究一作 Ayman Abouraddy 表示，新型鐳射束具有普通鐳射束無法共享的獨特性質，對光通訊技術也有著重大的意義。

時空波包（Spacetime Wave Packets）允許光脈衝以相同的速度穿越不同介質，甚至在密度更大的材料中一反常理地加快速度。

研究配圖 - 2：法向入射時空波包的折射定律驗證實驗

研究團隊以航天器為例，當其向深度相同、但距離不同的兩艘潛艇傳送光編碼訊息時，通常資訊會先抵達較近的子節點。但利用“時空波包”的特性，可讓光脈衝同時“恰到好處”地抵達兩個子節點。

儘管聽起來與物理學的某些基礎定律相矛盾，但研究團隊強調稱，它實際上仍遵循狹義相對論。因為這項技術並未擾亂光本身的振盪（波粒二象性），而是對光脈衝的峰值傳播速度加以控制。

研究配圖 - 3：折射定律得到證實

為實現這一點，研究團隊藉助了一種被稱作‘空間逛調製器’（Spatial Light Modulator）的裝置，以在空間和時間上交織其特性。

研究合著者 Basanta Bhaduri 補充道：“時空折射（Space-time Refraction）違背了我們對費馬定理的預期，但為光流和其它波動現象的塑造創造了新的機會”。

研究配圖 - 4：時空波包在斜入射時的折射

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然光子學》（Fermat‘s Principle）期刊上。

原標題為《Anomalous refraction of optical spacetime wave packets》。