光折射原理被推翻？科学家发现新的激光束，推翻了费马原理

    通过这些数据包传播的消息的速度不再受通过不同密度的不同材料传播的影响。

    中佛罗里达大学的研究人员已经开发出一种新型的激光束，它不遵循长期以来关于光如何折射和传播的原理。该发现最近发表在《自然光子学》上，可能对光通信和激光技术产生巨大影响。

    UCF光学与光子学院的教授，该研究的主要研究者Ayman Abouraddy说：“这种新型的激光束具有普通激光束无法共享的独特特性。”

    光束被称为时空波包，在折射时（即穿过不同的材料时）遵循不同的规则。通常，光线进入较密的材料时会变慢。

   “相反，时空波包可以安排成以通常的方式运行，根本不改变速度，甚至在密度更大的材料中异常加快速度，” Abouraddy说。“因此，这些光脉冲可以同时到达空间中的不同点。”

   “想想装满水的玻璃杯中的勺子在水和空气相遇的那个界面，勺子好像是被折断了一样。” Abouraddy说。空气中的光速不同于水中的光速。因此，光线穿过空气与水之间的表面后弯曲成弯曲状，因此汤匙看起来似乎弯曲了。这是斯涅尔定律所描述的一种众所周知的现象。”

    尽管仍然使用斯涅尔定律，但脉冲速度的根本变化不再适用于新的激光束，Abouraddy说。他说，这些能力与费马原理（Fermat's Principle）相反，费马原理说光总是在行进，因此走的路最短。

   “尽管我们发现，无论光通过的材料有多么不同，我们始终存在一个时空波包，它可以穿越两种材料的界面而不会改变其速度，” Abouraddy说。“因此，不管介质的属性是什么，它都会穿过接口并继续存在，就像它不在那里一样。”

    对通信的影响将带来革命性的变化

    对于通信，这意味着在这些数据包中传播的消息的速度不再受通过不同密度的不同材料传播的影响。

   “如果您想到一架飞机试图与两艘潜艇在同一时间进行通信，但其中一艘很远，而另一艘则在附近，那么相距较远的一架将比附近的一艘时间将会更长。” “我们发现我们可以安排脉冲传播，使它们同时到达两艘潜艇。实际上，现在发送脉冲的人甚至不需要知道潜艇在哪里，只要它们在同一深度即可。所有这些潜艇将同时接收脉冲，因此您可以盲目同步它们而不需要知道它们在哪里。”

    Abouraddy的研究团队通过使用一种称为空间光调制器的设备来重组时空波包，以重组光脉冲的能量，从而使其在空间和时间上的特性不再分离。这使他们能够控制光脉冲的“群速度”，大约是脉冲峰值传播的速度。

    先前的工作表明，该团队具有控制时空波包（包括光学材料）的群速度的能力。当前的研究基于这项工作，发现它们还可以控制时空波包通过不同媒体的速度。这与狭义相对论没有任何矛盾，因为它适用于脉冲峰值的传播，而不适用于光波的基本振荡。

   “我们正在开发的这个新领域是光束的新概念，” Abouraddy说。“结果，我们研究使用这些光束的一切都揭示了新的行为。我们所知的关于光的所有行为实际上都隐含着一个潜在的假设，即它在空间和时间上的特性是可分离的。因此，我们在光学领域所了解的就是基于此。这是一个内置的假设。这被认为是自然状态。但是现在，打破了这一基本假设，我们开始在各处看到新的行为。”

    该研究的合著者是Basanta Bhaduri，他是UCF光学与光子学院的首席作者，前研究科学家，现在是加利福尼亚的布鲁克纳米表面实验室的研究员，也是该学院的博士候选人Murat Yessenov。

    Bhaduri在Optics Express和Nature Photonics等期刊上阅读了Abouraddy的研究后就对它产生了兴趣，并于2018年加入了教授的研究小组。并分析数据。

他说，研究结果在许多方面都很重要，包括新的研究途径。

   “时空折射违背了我们从费马原理得到的期望，并为塑造光流和其他波动现象提供了新的机会，”巴杜里说。

    Yessenov的角色包括数据分析，推导和模拟。他说，他想通过对纠缠的更多探索而对这项工作产生兴趣，纠缠在量子系统中是两个完全分离的物体之间仍然有联系的时候。

    Yessenov说：“我们相信，时空波包可以提供更多的功能，使用它们可以揭示更多有趣的效果。”

    Abouraddy说，该研究的下一步工作包括研究这些新的激光束与诸如激光腔和光纤之类的设备之间的相互作用，以及将这些新见解应用于物质而非光波。