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这是科学家们第一次演示说明利用原子阵列可以实现负折射——不需要人为制造的我tamaterials。

长期以来，科学家们一直试图用看似违背自然规律的方式来控制光线。

负折射——一种光向与其通常行为相反的方向弯曲的现象——已经吸引了研究人员，因为它有可能彻底改变光学，使超级透镜和隐形设备等变革性技术成为可能。

现在，精心排列的原子阵列使这些可能性更近了一步，不需要人工制造的超材料就能实现负折射。

在《自然通讯》上发表的一项研究中，兰开斯特大学物理学教授Janne Ruostekoski和Kyle Ballantine博士，以及来自日本NTT基础研究实验室的Lewis Ruks博士，展示了一种控制原子和光之间相互作用的新方法。

天然材料通过原子跃迁与光相互作用，电子在不同的能级之间跳跃。然而，这种交互过程有明显的局限性。例如，光主要与其电场成分相互作用，而磁场成分基本上未被使用。

天然材料光学特性的这些固有限制推动了依赖于负折射现象的人工工程超材料的发展。

折射发生时，光改变方向，例如，从空气进入水或玻璃。然而，负折射是一种反直觉的效应，即介质中的光向与自然界中通常观察到的相反方向弯曲，挑战了对光在材料中的行为的传统理解。

负折射的吸引力在于其突破性的潜在应用，比如创造出一种完美的透镜，能够在超过衍射极限的情况下聚焦和成像，或者开发出使物体隐形的隐形设备。

虽然在超材料中已经实现了负折射，但在光学频率上的实际应用仍然受到制造缺陷和非辐射损耗的阻碍，这仍然严重限制了应用。

兰开斯特和NTT团队的新方法包括对光在原子阵列中的传播进行详细的、逐个原子的模拟。

他们的工作表明，原子的协同反应可以实现负折射，从而完全消除对超材料的需求。

兰开斯特大学的Janne Ruostekoski教授说：“在这种情况下，原子通过光场相互作用，集体反应而不是独立反应。”这意味着单个原子的响应不再为整个系综的行为提供简单的指导。相反，集体相互作用会产生新兴的光学特性，比如负折射，这是无法通过单独检查单个原子来预测的。”

这些效应是通过在周期性光学晶格中捕获原子而实现的。光学晶格就像由光制成的“蛋盒”，原子被驻波固定在原地。

NTT的Lewis Ruks博士说：“这些精确排列的原子晶体使研究人员能够以非凡的精度控制原子和光之间的相互作用，为基于负折射的新技术铺平了道路。”

原子在光学晶格中的集体行为提供了几个关键的优势。与人工制造的超材料不同，原子系统提供了一种原始的、干净的介质，没有制造缺陷。在这样的系统中，光与原子以受控和精确的方式相互作用，没有通常将光转化为热的吸收损失。

这些独特的性质使原子介质成为负折射实际应用中超材料的一个有希望的替代品。