哈佛大學創(chuàng)造怪異光學現象 挑戰(zhàn)折射反射定律

據國外媒體報道，美國哈佛大學工程與應用科學的研究人員利用一種新的技術誘導光線的路徑，使得發(fā)現百年的光線反射和折射定律受到挑戰(zhàn)。而這個技術被稱為相位不連續(xù)技術。這一研究發(fā)現使得在預測光線由一個介質進入另一個介質的時候（例如，從空氣進入玻璃的路徑），出現了一個新的數學規(guī)律，其有別于經典的折射和反射定律。目前該研究發(fā)現已經發(fā)表在最新的《科學》雜志上。

哈佛研究人員使用新技術創(chuàng)建的怪異光學現象

據參與該研究的哈佛大學工程與應用科學應用物理學與文頓海斯電氣工程高級研究員組成的聯合小組，首席聯合研究員分別為費德里科卡帕索（Federico Capasso）和羅伯特L華萊士（Robert L. Wallace）教授介紹：使用特殊的平面，我們創(chuàng)建了一個平面哈哈鏡的效果。我們的發(fā)現使得光學進入了一個全新的領域，并打開了令人振奮人心的光電子技術的大門。
人類自科學發(fā)展以后，認識光線的行為之后，都知道光是在不同的介質中，以不同的速度進行傳播。如果光線遇到一個玻璃等材料，并以一定的角度入射，就會發(fā)生反射和折射現象，也正是因此，波前的方向就發(fā)生了改變。我們根據傳統意義上的折射和反射定律，全世界的物理學課上都可以進行光線行為方式的推導，我們還可以結合入射角度以及兩個介質的性質計算出折射角和反射角的具體的數值。然而，當研究人員將光線打在金屬納米材料的結構圖上，根據實驗中表面光的撞擊行為，研究人員意識到，使用傳統意義上的方程不足以形容實驗室中所觀察到的關于光線奇怪路徑的現象。
在實驗過程中，研究人員設計了一個納米級的諧振器陣列，比一個波長還要薄一點兒，可在硅表面創(chuàng)建一個恒定的梯度值。通過可視化的研究技術，使得光線可以下部分擊中表面，還可以保持垂直入射。而處于左邊的諧振器保持的能量要長于右邊的諧振器。但是，如果沒有這個整列的存在，這個光線是平行的。
通過哈佛大學的這個研究，科學家也發(fā)現了一個新的廣義范圍上的光線定律，實驗證明這組的數據是正確的，而且也將證實了在兩個介質之間新的路徑方式。據哈佛大學工程與應用科學卡帕索實驗室副研究員于南方（Nanfang Yu）認為：通常情況下，比如說一個池塘附近，空氣和水之間邊界就形成了兩個不同的路徑方式。但是，在這個特殊的情況下，介質與介質之間的邊界附近，成為了一個活躍的界面，可以彎曲光線本身。
而本次研究實驗的關鍵是使用了微小鍍金的天線蝕刻在硅的表面。該陣列結構在總體尺度上都做的很薄，整個陣列結構在規(guī)模上比撞擊的光線波長要薄很多。這就意味著，與傳統角度上而言，光學系統設計的邊界之間的空氣和硅賦予了一個突然產生的相移，這就是被認為是第二階段不連續(xù)性的體現。
在實驗室的數組中，每個天線都是一個很小的諧振器，可以不抓光線，持有特定的在一定時間內進行能量釋放。整個硅表面納米諧振器具有不同類型的梯度，可以有效地彎曲光當光線進入就開始通過新的媒介傳播。由此產生的各種奇怪的現象，打破了舊的規(guī)則，創(chuàng)造出來的光線會以任意的方式進行，并且出現反映和折射，由表面上的圖案而定。而研究針對新發(fā)現的光線行為，為了概括反射還有折射等科學定律，哈佛大學的研究人員增加了一些新的設計方程，可以傳授相移梯度。更重要的是，在表面梯度缺少的情況下，新的定律可達到眾所周知的程度。
據一位在卡帕索研究小組的訪問學者芝諾（Zeno Gaburro）認為：通過接口結合相位不連續(xù)的漸變，光線的反射和折射規(guī)律，成為可重新定義的定律，并且伴隨著新的現象出現。反射的激光束可以被彈開，而不是向前，還可以創(chuàng)建負折射現象，對全反射有一個全新的視角。此外，光的偏振也可以得到控制，這意味著在光線輸出上發(fā)生了一個本質性的設計定義。研究人員已經成功地生產出渦束，就是一種螺旋形的光流。他們還設想了平面的鏡頭，可以集中無畸變的圖像。