东京大学发现不对称光折射 颠覆光学常识

光路通常不依赖于光的传播方向。也就是说，光的去路和归路是完全相同的路径（光线的可逆性）。不过，理论预测显示，当光在特殊磁性材料的界面折射时，去路和归路的光路可能改变。此次，东京大学研究生院新领域创成科学研究科的研究生（研究时）丰田新悟与助教阿部伸行和教授有马孝尚一起，通过实验成功观测到了在去路和归路发生的不对称光折射现象（图1（b）），并还成功地定量解释了这种现象。此次的成果颠覆了光的去路和归路相同这一光学常识，预计将对物理学产生重大影响。相关研究论文发布在美国物理学会的快报期刊《物理评论快报》上。

光总是沿着所有路径中能最快通过的路径传播。这种现象被称为费马原理，是物理学领域最重要的原理之一。一般来说，即使光的传播方向逆转，物质中的光速也不会改变，因此无论去路还是归路，最短时间的路径是相同的，光路不会改变。即使是图1（a）那样具有双折射特性的物质，也没有打破这个规律。

但此次的研究发现，在名为多铁性材料的特殊磁性材料中，光的速度（即折射率）在去路和归路有时是不同的。在这种物质中，去路和归路的最短时间路径也不同，如图1（b）所示，光的传播方向改变就会导致光路产生偏移。以前提出过这种去路和归路存在不对称光传播现象的理论，但一直没有相关的实验报告。其原因是，光的传播方向逆转所引起的折射率变化通常都非常小。

图1.（a）普通物质中的双折射现象。即使光的传播方向逆转，光路也不会改变。例如，光从点X向点Y前进时，同样也可以从点Y返回点X。（b）此次在偏硼酸铜（CuB₂O₄）中发现的不对称折射现象。即使光是从点X向点Y前进，但传播方向逆转后，光会到达另一个点X’。也就是说，光的去路和归路发生了变化。

研究小组此前发现，偏硼酸铜这种物质的光响应性例外地显示出很大的不对称性，并且认为其不对称的程度足够观测到光路的偏移。另外，在实验中，通过逆转光的传播方向，以及通过等效磁场反转测量光轴的位移，实现了对光路偏移的精确测量。最终，研究小组通过磁场反转测量到了0.50微米的光轴位移，成功观测到了不对称折射现象。另外还确认，观测到的位移量与利用费马原理预测的值定量一致。

此次发现的不对称折射现象只能在偏硼酸铜变为磁铁的条件下、也就是在零下252摄氏度以下的低温下才能观测到。不过，随着研究的进步，今后如果能开拓出在常温下满足上述条件的物质，则有望应用于光学元件等。

原文链接：http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry754/ 

相关链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.077401