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科學家研製新型“時空波包”激光束能夠以相同速度穿越不同的介質

科學家研製新型“時空波包”激光束能夠以相同速度穿越不同的介質

2020-08-07 Comments 0 Comment

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激光束。

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)。

1.png

研究配圖- 1:時空波包的動態折射

研究一作Ayman Abouraddy 表示,新型激光束具有普通激光束無法共享的獨特性質,對光通信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。

2.png

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發送光編碼消息時,通常信息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。

3.png

研究配圖- 3:折射定律得到證實

為實現這一點,研究團隊借助了一種被稱作’空間逛調製器’(Spatial Light Modulator)的設備,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”。

4.png

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》。

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