突破超材料限制！原子阵列实现负折射

科学家首次证明，无需人工制造的超材料，仅利用原子阵列就能实现负折射。长期以来，科学家们一直寻求以看似违背自然定律的方式来控制光。

负折射现象——即光以与通常行为相反的方向弯曲——因其彻底改变光学的潜力而吸引了研究人员，使超透镜和隐形装置等变革性技术成为可能。

如今，精心排列的原子阵列使这些可能性更近了一步，无需人工制造的超材料即可实现负折射。

在《自然·通讯》上发表的研究中，兰卡斯特大学物理学教授Janne Ruostekoski和Kyle Ballantine博士与日本NTT基础研究实验室的Lewis Ruks博士展示了一种控制原子与光相互作用的新方法。

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光通过原子介质的负折射和透射

天然材料通过原子跃迁与光相互作用，电子在不同能级之间跳跃。然而，这种相互作用过程存在显著限制。例如，光主要与其电场分量相互作用，而磁场分量则基本未被利用。

天然材料光学特性的这些固有局限性推动了人工设计的超材料的发展，这些超材料依赖于负折射现象。

当光通过空气进入水或玻璃等介质时，会发生折射。然而，负折射是一种反直觉效应，光在介质中弯曲的方向与自然界中通常观察到的方向相反，挑战了人们对光在材料中行为的传统理解。

负折射的吸引力在于其开创性的潜在应用，例如创建能够聚焦和成像超出衍射极限的完美透镜，或开发使物体隐形的隐形装置。

尽管负折射已在超材料中实现，但在光学频率下的实际应用仍受到制造缺陷和非辐射损耗的阻碍，这些因素严重限制了应用。

兰卡斯特大学和NTT团队的新方法涉及对光通过原子阵列传播的详细原子级模拟。他们的工作表明，原子的协同响应可以实现负折射，从而完全不需要超材料。

兰卡斯特大学的Janne Ruostekoski教授表示：“在这种情况下，原子通过光场相互作用，集体响应而非独立响应。这意味着单个原子的响应不再能简单指导整个系统的行为。相反，集体相互作用产生了涌现的光学特性，例如负折射，这是无法通过单独检查单个原子来预测的。”

这些效应是通过将原子捕获在周期性光学晶格中实现的。光学晶格就像由光制成的“蛋盒”，原子被驻波固定。

NTT的Lewis Ruks博士表示：“这些精确排列的原子晶体使研究人员能够以极高的精度控制原子与光之间的相互作用，为基于负折射的新技术铺平了道路。”

光学晶格中原子的集体行为提供了几个关键优势。与人工制造的超材料不同，原子系统提供了一个无制造缺陷的原始、清洁介质。在这样的系统中，光以受控且精确的方式与原子相互作用，而不会产生通常将光转化为热的吸收损耗。

这些独特的特性使原子介质成为负折射实际应用中超材料的有前途的替代品。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-56250-w