佛罗里达大学的研究人员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。

佛罗里达大学光学与光子学院的教授、该研究的主要研究者、艾曼·阿布瓦迪（Ayman Abouraddy）说：“这种新型的激光束具有与普通激光束没有的独特特性。”

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。

阿布瓦迪表示，“相比之下，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地加快速度，” “因此，这些光脉冲可以同时到达空间的不同点。”

“想想装满水的玻璃杯里的汤匙在水和空气相遇的地方看起来像是破损的，” “空气中的光速不同于水中的光速。因此，光线在穿过空气与水之间的表面后会弯曲弯曲，因此汤匙显然会弯曲。这是众所周知的斯涅尔定律描述的现象。”

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，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，” “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。

“如果考虑到一架飞机试图与两艘潜艇在同一深度进行通信，但其中一艘很远，而另一艘则在附近，那么相距较远的那一架将比附近的一架更长。” “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。所有这些潜艇将同时接收脉冲，因此可以盲目同步它们，而无需知道它们在哪里。”

该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”，这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，而不是适用于光波的基本振荡。

阿布瓦迪说：“我们正在开发的这个新领域光束的新概念，” “结果，我们研究使用的这些光束揭示了新的行为。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，在光学方面我们所知道的就是基于这是一个内在的假设。它被视为自然状态。但是现在，这一基本假设被打破，我们开始在各处看到新的行为。”

“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。”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。

参考：Anomalous refraction of optical spacetime wave packets, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-0645-6