通過這些數(shù)據(jù)包傳播的消息的速度不再受通過不同密度的不同材料傳播的影響。

中佛羅里達大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型的激光束，它不遵循長期以來關(guān)于光如何折射和傳播的原理。該發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然光子學(xué)》上，可能對光通信和激光技術(shù)產(chǎn)生巨大影響。

UCF光學(xué)與光子學(xué)院的教授，該研究的主要研究者Ayman Abouraddy說：“這種新型的激光束具有普通激光束無法共享的獨特特性?！?/p>

光束被稱為時空波包，在折射時（即穿過不同的材料時）遵循不同的規(guī)則。通常，光線進入較密的材料時會變慢。

“相反，時空波包可以安排成以通常的方式運行，根本不改變速度，甚至在密度更大的材料中異常加快速度，” Abouraddy說?！耙虼?，這些光脈沖可以同時到達空間中的不同點?！?/p>

“想想裝滿水的玻璃杯中的勺子在水和空氣相遇的那個界面，勺子好像是被折斷了一樣?！?Abouraddy說?？諝庵械墓馑俨煌谒械墓馑?。因此，光線穿過空氣與水之間的表面后彎曲成彎曲狀，因此湯匙看起來似乎彎曲了。這是斯涅爾定律所描述的一種眾所周知的現(xiàn)象?！?/p>

盡管仍然使用斯涅爾定律，但脈沖速度的根本變化不再適用于新的激光束，Abouraddy說。他說，這些能力與費馬原理（Fermat's Principle）相反，費馬原理說光總是在行進，因此走的路最短。

“盡管我們發(fā)現(xiàn)，無論光通過的材料有多么不同，我們始終存在一個時空波包，它可以穿越兩種材料的界面而不會改變其速度，” Abouraddy說。“因此，不管介質(zhì)的屬性是什么，它都會穿過接口并繼續(xù)存在，就像它不在那里一樣。”

對通信的影響將帶來革命性的變化

對于通信，這意味著在這些數(shù)據(jù)包中傳播的消息的速度不再受通過不同密度的不同材料傳播的影響。

“如果您想到一架飛機試圖與兩艘潛艇在同一時間進行通信，但其中一艘很遠，而另一艘則在附近，那么相距較遠的一架將比附近的一艘時間將會更長。” “我們發(fā)現(xiàn)我們可以安排脈沖傳播，使它們同時到達兩艘潛艇。實際上，現(xiàn)在發(fā)送脈沖的人甚至不需要知道潛艇在哪里，只要它們在同一深度即可。所有這些潛艇將同時接收脈沖，因此您可以盲目同步它們而不需要知道它們在哪里?！?/p>

Abouraddy的研究團隊通過使用一種稱為空間光調(diào)制器的設(shè)備來重組時空波包，以重組光脈沖的能量，從而使其在空間和時間上的特性不再分離。這使他們能夠控制光脈沖的“群速度”，大約是脈沖峰值傳播的速度。

先前的工作表明，該團隊具有控制時空波包（包括光學(xué)材料）的群速度的能力。當(dāng)前的研究基于這項工作，發(fā)現(xiàn)它們還可以控制時空波包通過不同媒體的速度。這與狹義相對論沒有任何矛盾，因為它適用于脈沖峰值的傳播，而不適用于光波的基本振蕩。

“我們正在開發(fā)的這個新領(lǐng)域是光束的新概念，” Abouraddy說。“結(jié)果，我們研究使用這些光束的一切都揭示了新的行為。我們所知的關(guān)于光的所有行為實際上都隱含著一個潛在的假設(shè)，即它在空間和時間上的特性是可分離的。因此，我們在光學(xué)領(lǐng)域所了解的就是基于此。這是一個內(nèi)置的假設(shè)。這被認為是自然狀態(tài)。但是現(xiàn)在，打破了這一基本假設(shè)，我們開始在各處看到新的行為。”

該研究的合著者是Basanta Bhaduri，他是UCF光學(xué)與光子學(xué)院的首席作者，前研究科學(xué)家，現(xiàn)在是加利福尼亞的布魯克納米表面實驗室的研究員，也是該學(xué)院的博士候選人Murat Yessenov。

Bhaduri在Optics Express和Nature Photonics等期刊上閱讀了Abouraddy的研究后就對它產(chǎn)生了興趣，并于2018年加入了教授的研究小組。并分析數(shù)據(jù)。

他說，研究結(jié)果在許多方面都很重要，包括新的研究途徑。

“時空折射違背了我們從費馬原理得到的期望，并為塑造光流和其他波動現(xiàn)象提供了新的機會，”巴杜里說。

Yessenov的角色包括數(shù)據(jù)分析，推導(dǎo)和模擬。他說，他想通過對糾纏的更多探索而對這項工作產(chǎn)生興趣，糾纏在量子系統(tǒng)中是兩個完全分離的物體之間仍然有聯(lián)系的時候。

Yessenov說：“我們相信，時空波包可以提供更多的功能，使用它們可以揭示更多有趣的效果。”

Abouraddy說，該研究的下一步工作包括研究這些新的激光束與諸如激光腔和光纖之類的設(shè)備之間的相互作用，以及將這些新見解應(yīng)用于物質(zhì)而非光波。