光路通常不依賴于光的傳播方向。也就是說，光的去路和歸路是完全相同的路徑（光線的可逆性）。不過，理論預(yù)測顯示，當(dāng)光在特殊磁性材料的界面折射時，去路和歸路的光路可能改變。此次，東京大學(xué)研究生院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)研究科的研究生（研究時）豐田新悟與助教阿部伸行和教授有馬孝尚一起，通過實驗成功觀測到了在去路和歸路發(fā)生的不對稱光折射現(xiàn)象（圖1（b）），并還成功地定量解釋了這種現(xiàn)象。此次的成果顛覆了光的去路和歸路相同這一光學(xué)常識，預(yù)計將對物理學(xué)產(chǎn)生重大影響。相關(guān)研究論文發(fā)布在美國物理學(xué)會的快報期刊《物理評論快報》上。

光總是沿著所有路徑中能最快通過的路徑傳播。這種現(xiàn)象被稱為費馬原理，是物理學(xué)領(lǐng)域最重要的原理之一。一般來說，即使光的傳播方向逆轉(zhuǎn)，物質(zhì)中的光速也不會改變，因此無論去路還是歸路，最短時間的路徑是相同的，光路不會改變。即使是圖1（a）那樣具有雙折射特性的物質(zhì)，也沒有打破這個規(guī)律。

但此次的研究發(fā)現(xiàn)，在名為多鐵性材料的特殊磁性材料中，光的速度（即折射率）在去路和歸路有時是不同的。在這種物質(zhì)中，去路和歸路的最短時間路徑也不同，如圖1（b）所示，光的傳播方向改變就會導(dǎo)致光路產(chǎn)生偏移。以前提出過這種去路和歸路存在不對稱光傳播現(xiàn)象的理論，但一直沒有相關(guān)的實驗報告。其原因是，光的傳播方向逆轉(zhuǎn)所引起的折射率變化通常都非常小。

圖1.（a）普通物質(zhì)中的雙折射現(xiàn)象。即使光的傳播方向逆轉(zhuǎn)，光路也不會改變。例如，光從點X向點Y前進時，同樣也可以從點Y返回點X。（b）此次在偏硼酸銅（CuB₂O₄）中發(fā)現(xiàn)的不對稱折射現(xiàn)象。即使光是從點X向點Y前進，但傳播方向逆轉(zhuǎn)后，光會到達另一個點X’。也就是說，光的去路和歸路發(fā)生了變化。

研究小組此前發(fā)現(xiàn)，偏硼酸銅這種物質(zhì)的光響應(yīng)性例外地顯示出很大的不對稱性，并且認為其不對稱的程度足夠觀測到光路的偏移。另外，在實驗中，通過逆轉(zhuǎn)光的傳播方向，以及通過等效磁場反轉(zhuǎn)測量光軸的位移，實現(xiàn)了對光路偏移的精確測量。最終，研究小組通過磁場反轉(zhuǎn)測量到了0.50微米的光軸位移，成功觀測到了不對稱折射現(xiàn)象。另外還確認，觀測到的位移量與利用費馬原理預(yù)測的值定量一致。

此次發(fā)現(xiàn)的不對稱折射現(xiàn)象只能在偏硼酸銅變?yōu)榇盆F的條件下、也就是在零下252攝氏度以下的低溫下才能觀測到。不過，隨著研究的進步，今后如果能開拓出在常溫下滿足上述條件的物質(zhì)，則有望應(yīng)用于光學(xué)元件等。

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相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.077401