著名英国理论物理学家 （Sir John Brian Pendry），以研究折射率和发明首个实用型“隐形斗篷”而闻名。
图 | （来源：资料图）
近日，深圳大学电子与信息工程学院 教授携手 、以及香港大学理学院物理系主任 教授，从理论上提出了一种新型平面透镜，能收集从光源处发出的所有能量。
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未来，若能在实验上实现不同频段的、全角度无反射的负折射效应，则将有许多潜在应用可以探索。
其中一个典型应用是，基于全角度无反射的负折射效应，有望像传统负折射率材料一样对倏逝信号进行放大，从而在特定场景下实现超分辨的光场成像或光学探测。
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另外，如果将全角度无反射的负折射效应，用于片上集成的各类光子系统中，并结合具有拓扑保护特性的表面波波导等器件，或可构建具有通用计算能力的片上集成光路。由于没有反射效应的存在，集成光路的效率也将得到保障。
此外，在光与物质相互作用方面，得益于负折射透镜的聚焦效果，增强型的表面光场还具备如下潜力：给物质探测、粒子操控等应用提供新平台。
图 | 相关论文的第一作者 （来源：资料图）
“精巧的以及令人兴奋的”
据介绍，在光学研究领域人们的终极目标之一是，希望实现对于光场的任意调控。透镜，是一种非常经典的光学调控元件，它能让入射的光线在一定空间范围内发生汇聚或者发散。
日常生活中光学透镜的“用武之地”有很多，比如手机、相机中使用的镜头模组、近视眼镜、放大镜、望远镜等。
传统透镜需要光在通过介质时累加光程差的变化、也就是相位变化，来改变光线传播的路径。
因此，使用传统透镜时要解决两个问题：其一，传统透镜必须具有一定的厚度。以手机为例，其镜头模组的厚度大多高于手机机身，很难再被压缩；其二，需要使用一些特殊的光学介质，而这时在不同介质的界面处会产生反射现象，导致入射的光线不能全部被汇聚或者发散，从而降低透镜的透过率。比如，在一些相机镜头中，人们会使用镀膜的方法来降低反射增强透射。
此前有研究发现，如果使用负折射率材料，可以很好地解决上述第一个问题。在正、负折射率材料的界面处，由一侧入射的光线将汇聚在界面的另一侧，形成与传统透镜一样的效果。
需要指出的是，在已被发现的所有天然材料中，并不存在所谓的负折射率材料，只能通过特殊设计的人工材料来实现。
但是，使用人工材料时一般会在一定程度上引入新的损耗，比如更多的界面反射、以及材料自身的损耗等，这会降低透镜的透过率（即前文的问题二）。
本质上，构成某一材料的化学元素、以及其中的化学键性质，决定了不同材料的物理属性。很早以前学界就意识到，通过改变材料的组成成份，就能改变或操控材料的属性，比如通过融炼不同的金属来产生韧性更强的合金。
然而，即便如此依然无法使用这种方法，去找到任意物理属性所对应的实际材料。这说明可以被利用的力学、热力学、电学、以及光学属性的范围仍然十分有限。
值得庆幸的是，过去几十年里超构材料的出现，让人们可以按照自己意愿来设计材料属性，这是一种能在一定范围内获得任意属性材料的方法。
与之前的方法不同的是，超构材料的物理属性不再只由其化学成份的本征属性所决定，还会根据所使用的不同人工结构而改变。
正因如此，许多天然材料中很难找到的、亦或是并不存在的物理属性，在人工超构材料中得以轻松地实现，比如本次研究所需的负折射率介质。
既然通过超构材料可以产生负折率介质，那么进一步地基于拓扑保护就能解决传统透镜的反射难题。
（来源： Light: Science & Applications ）
在该研究的模型中，正、负介质中都只允许单向传播的电磁波存在。所有的反射现象得以被消除，从而实现了一种负折射透镜（All-angle REflectionless Negative refraction，AREN），它能以全角度无反射的方式，收集从光源处发出的所有能量。
近日，相关论文以《基于理想光子外尔超构材料的全角度无反射负折射》（ ）为题发表在 Light: Science & Applications 上（IF 17.78）。
图 | 相关论文（来源： Light: Science & Applications ）
课题组的 研究员担任第一作者， 教授、伦敦帝国理工学院物理系 爵士（教授）、 教授担任共同通讯作者 [1]。
其中一位评审专家认为，该项工作会获得来自于光子学、超构材料和拓扑材料方面的广泛关注。也有审稿人表示该研究是“精巧的以及令人兴奋的”。
展示光子 Weyl 材料中的表面波传播、以及相关的电磁场分布情况
研究中，课题组先后解决了几个关键性的问题。
首先，此次设计的超构材料使用了磁化等离子体，这是一种理想的材料。在研究小组感兴趣的频率范围内，其所对应的物理参数具有很强的色散。
对于这样的材料，得先求解它的单元结构的色散能带，而传统的频域本征模式分析的方法通常无法胜任。这是因为，在引入色散材料的情况下，单元结构的频率本征值问题不再是简单的线性问题，而会变成二阶或者更高阶的本征值问题，因此不能被直接求解。
为此，该团队通过使用一种求解波矢本征值的方法，避开了对于频率本征值的求解，借此计算出结构的色散能带，验证了结构中光子 Weyl 点的存在。
其次，研究小组建立了非常清晰的物理模型，来解释具有正负折射率的表面波产生的原因。
在大多数拓扑非平庸的光子系统中，不同边界条件下产生的拓扑保护表面波，都是高度各向异性的，所以很难给它们指定一个固定的折射率。
而在该研究的系统中，拓扑表面波具有半圆形的等频轮廓（equal frequency contour，EFC），可被看成是各向同性的介质，因此具有固定的折射率。
这种半圆形等频轮廓的出现，是因为课题组在环形节线型（nodal-line）系统的基础上，通过打破系统的时间反演对称性，得到了后来的 Weyl 系统。
（来源： Light: Science & Applications ）
相关分析显示，在一定的范围内，边界条件的选择可以还原节线型系统中的本征态，从而得到一种半圆形表面态等频轮廓，相比节线型系统中体态的环形等频轮廓，这两种轮廓是重合的。
最后，该团队还发展出一种能准确地计算理想光子 Weyl 材料中的传播电磁场的方法。如果你有一定的光学研究背景，那么应该知道：在基于超构材料的真实结构进行仿真时，有效的仿真区域的大小其实非常有限。
并且，越复杂的结构，需要的计算资源就越多。使用普通的计算工作站，并不能完成论文所构建的三维的大尺寸模型的仿真。
而该研究通过使用等效介质的方法，避免了对复杂三维模型的仿真，让课题组最终能够展示出光子 Weyl 材料中表面波的传播、以及发生全角度无反射的负折射时的电磁场分布情况。
需要强调的是，一定入射角度上无反射的负折射效应，已经在其他结构中实现过。而本次研究在此基础上进一步指出，全角度无反射的负折射效应是有希望实现的。
并且，不同于单一方向无反射的负折射效应，全角度无反射的负折射现象具备如下能力：能汇聚入射的全部表面波所形成的透镜效果。
（来源： Light: Science & Applications ）
有望实现 3D 全角度无反射的负折射透镜
据介绍，其实他们最早发现在不同边界条件下，拓扑表面波的等频轮廓可以近似为一个半圆，但一直没有找到合理的解释。
“直到在一次组会讨论时， 老师说这个 EFC 看起来跟 nodal-line 的时候很像，像是还原了之前的 EFC 一样。之后经过对比，我们才发现表面波的 EFC 与 nodal-line 系统中体态的 EFC 确实是重合的。”论文一作 说。
并且，他们根据等效的 Weyl 系统的哈密顿量，很好地解释了这件事情。这也让该团队认识到，许多看似简单的物理现象背后，可能隐藏着深层次的物理规律。“而我们的研究也不应该只停留在对一些比较奇特的物理现象的关注上，而应该更加注重对其深层物理规律的探索。”研究人员表示。
（来源： Light: Science & Applications ）
未来，一方面该团队希望基于此次方案，结合实验室现有的条件，通过一些优化改进，在实验上完成对全角度无反射负折射效应的观察。
课题组补充称：“在论文中，其实也提到了这一点：实现理想的最小光子 Weyl 系统材料，是产生全角度无反射负折射效应的关键。而最近有多篇论文报道了类似的最小光子 Weyl 系统的实现方案。这些方案都可以成为我们后期实验研究的基础。”
另一方面，其也希望进一步提升全角度无反射的负折射透镜的性能，比如实现对三维光场的聚焦等。
近期，研究小组还发现有可能实现单向传播的电磁体态，如能找到具有负折射率的电磁体态，就有望实现 3D 的全角度无反射的负折射透镜。
参考资料：
1.Liu, Y., Wang, G.P., Pendry, J.B. et al. All-angle reflectionless negative refraction with ideal photonic Weyl metamaterials. Light Sci Appl 11, 276 (2022). https://doi.org/10.1038/s41377-022-00972-9
