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物理学家们开启了一种弯曲光线的新方法，使超级透镜和隐形技术更接近现实
诸平
据英国兰卡斯特大学（Lancaster University, Lancaster, LA1 4YB, UK）2025年2月12日提供的消息,物理学家们开启了一种弯曲光线的新方法，使超透镜和隐形技术更接近现实(Physicists Unlock a New Way to Bend Light, Bringing Superlenses and Cloaking Closer to Reality)。
科学家们已经找到了一种实现负折射的方法，在这种情况下，光会以错误的方式弯曲，使用精心排列的原子阵列而不是工程超材料。（Scientists have found a way to achieve negative refraction—where light bends the “wrong” way—using carefully arranged atomic arrays instead of engineered metamaterials.）
这一突破具有巨大的意义，可能会导致超级透镜超越微观极限，甚至隐形设备。
用原子阵列打破光的规则（Breaking the Rules of Light with Atomic Arrays）
科学家们第一次利用精心排列的原子阵列实现了负折射，而不依赖于人工工程的超材料（metamaterials）。
多年来，研究人员一直在寻找操纵光的新方法，经常突破物理上可能的界限。光学中最有趣的挑战之一是负折射，即光在与通常路径相反的方向弯曲。这种现象有可能彻底改变技术，带来突破，比如超越微观极限的超级透镜，以及使物体隐形的隐形设备。
现在，科学家们已经向前迈出了一大步。通过精确地将原子排列成结构阵列，他们已经成功地证明了负折射，而不需要复杂的、人造的超材料。
用原子相互作用革新光学（Revolutionizing Optics with Atomic Interactions）
在2025年2月12日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站上的一项研究中，兰卡斯特大学的珍妮·鲁斯科斯基教授（Professor Janne Ruostekoski）和凯尔·巴兰廷博士（Dr. Kyle Ballantine），以及日本NTT基础研究实验室（NTT Basic Research Laboratories in Japan）的刘易斯·鲁克斯博士（Dr. Lewis Ruks），揭示了一种控制原子和光相互作用的新方法。原文详见：L. Ruks, K. E. Ballantine, J. Ruostekoski. Negative refraction of light in an atomic medium. Nature Communications. 2025, 16: 1433. DOI: 10.1038/s41467-025-56250-w. Published: 12 February 2025. https://www.nature.com/articles/s41467-025-56250-w
参与此项研究的有来自日本NTT公司（NTT Basic Research Laboratories, NTT Corporation, 3-1 Morinosato Wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Japan; NTT Research Center for Theoretical Quantum Information, NTT Corporation, 3-1 Morinosato Wakamiya, Atsugi, Kanagawa, Japan）、日本冲绳科学技术大学院大学(Quantum Systems Unit, Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, Onna-son, Okinawa, Japan)以及英国兰卡斯特大学（Department of Physics, Lancaster University, Lancaster, LA1 4YB, UK）的研究人员。
天然材料通过原子跃迁与光相互作用，电子在不同的能级之间跳跃。然而，这种交互过程有明显的局限性。例如，光主要与其电场成分相互作用，而磁场成分基本上未被使用。
超材料及其挑战（Metamaterials and Their Challenges）
天然材料光学特性的这些固有限制，推动了依赖于负折射现象的人工工程超材料的发展。
折射发生时，光改变方向，例如，从空气进入水或玻璃。然而，负折射是一种反直觉的效应，即介质中的光向与自然界中通常观察到的相反方向弯曲，挑战了对光在材料中的行为的传统理解。
超级透镜和隐形：负折射的未来（Superlenses and Cloaking: The Future of Negative Refraction）
负折射的吸引力在于其突破性的潜在应用，比如创造出一种完美的透镜，能够在超过衍射极限的情况下聚焦和成像，或者开发出使物体隐形的隐形设备。
虽然在超材料中已经实现了负折射，但在光学频率上的实际应用仍然受到制造缺陷和非辐射损耗的阻碍，这仍然严重限制了应用。
兰卡斯特大学和NTT团队的新方法包括对光在原子阵列中的传播进行详细的、逐个原子的模拟。他们的工作表明，原子的协同反应可以实现负折射，从而完全消除对超材料的需求。
集体原子反应的力量（The Power of Collective Atomic Responses）
兰卡斯特大学的珍妮·鲁斯科斯基教授说：“在这种情况下，原子通过光场相互作用，集体反应而不是独立反应。这意味着单个原子的响应不再为整个系综的行为提供简单的指导。相反，集体相互作用会产生诸如负折射之类的新兴光学特性，而这是无法通过单独检查单个原子来预测的。”
这些效应是通过在周期性光学晶格中捕获原子而实现的。光学晶格就像由光制成的蛋盒，其中的原子被驻波固定在原地。
NTT的刘易斯·鲁克斯博士说：“这些精确排列的原子晶体使研究人员能够以非凡的精度控制原子和光之间的相互作用，为基于负折射的新技术铺平了道路。”
光学技术的游戏规则改变者（A Game-Changer for Optical Technology）
原子在光学晶格中的集体行为提供了几个关键的优势。与人工制造的超材料不同，原子系统提供了一种原始的、干净的介质，没有制造缺陷。在这样的系统中，光与原子以受控和精确的方式相互作用，没有通常将光转化为热的吸收损失。这些独特的性质使原子介质成为负折射实际应用中超材料的一个有希望的替代品。
本研究得到了日本登月计划研发（Moonshot R&D, JST JPMJMS2061）、英国工程与物理科学研究委员会（UK EPSRC, Grants No. EP/S002952/1 and No. EP/W005638/1）的资助。
上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文和相关报道。
Breakthrough: Achieving Negative Refraction of Light with Atoms Instead of Metamaterials
The quest to manipulate light propagation in ways not possible with natural media has driven the development of artificially structured metamaterials. One of the most striking effects is negative refraction, where the light beam deflects away from the boundary normal. However, due to material characteristics, the applications of this phenomenon, such as lensing that surpasses the diffraction limit, have been constrained. Here, we demonstrate negative refraction of light in an atomic medium without the use of artificial metamaterials, employing essentially exact simulations of light propagation. High transmission negative refraction is achieved in atomic arrays for different level structures and lattice constants, within the scope of currently realised experimental systems. We introduce an intuitive description of negative refraction based on collective excitation bands, whose transverse group velocities are antiparallel to the excitation quasi-momenta. We also illustrate how this phenomenon is robust to lattice imperfections and can be significantly enhanced through subradiance.
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