中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
光在復雜介質(zhì)中的傳播是光學(xué)和相對論的經(jīng)典課題。在愛(ài)因斯坦提出廣義相對論不久，W. Gordon，I. E. Tamm和G. V. Skrotskii等將費馬原理推廣到彎曲時(shí)空。1960年，J. Plebanski指出彎曲時(shí)空度規的空間分量和時(shí)空混合分量分別等價(jià)于非均勻各向異性光學(xué)介質(zhì)的折射率(介電常數與磁導率)和反對稱(chēng)非互易磁電耦合參數。上述結果已被廣泛應用于引力場(chǎng)量子效應的實(shí)驗室模擬。2006年，J. Pendry和U. Leonhart提出的變換光學(xué)反過(guò)來(lái)用坐標變換設計非均勻材料以實(shí)現光線(xiàn)控制，在電磁隱身衣、新型波導和天線(xiàn)等器件方面具有重要應用。然而，相對論電動(dòng)力學(xué)和變換光學(xué)無(wú)法處理手性和非互易光學(xué)材料，也無(wú)法提供類(lèi)似于坐標變換的幾何方案來(lái)控制光的偏振。
近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院半導體研究所研究員常凱領(lǐng)導的合作團隊針對以上問(wèn)題提出廣義變換光學(xué)理論，將光學(xué)介質(zhì)從普通Cauchy連續統推廣到具有內部自由度的廣義連續統。在該理論中每一個(gè)幾何點(diǎn)除具有坐標自由度外，還具有由局域標架代表的內部自由度，描述點(diǎn)粒子的旋轉、拉伸和扭轉，可以用來(lái)處理具有復雜本構關(guān)系的線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)。研究團隊發(fā)現具有局域旋轉自由度的連續統可以描述實(shí)驗室靜止的非互易光學(xué)介質(zhì)。非互易光學(xué)介質(zhì)主要包括磁光介質(zhì)(金屬或稀薄等離子體、磁性絕緣體、稀磁或鐵磁半導體)、磁電耦合介質(zhì)(多鐵材料、拓撲絕緣體及Weyl半金屬)和時(shí)變介質(zhì)。磁光介質(zhì)介電常數與磁導率的反對稱(chēng)虛部和磁電耦合介質(zhì)的磁電耦合參數帶來(lái)電磁場(chǎng)不同分量之間的交叉耦合，產(chǎn)生非互易的偏振旋轉，被廣泛應用于隔離器和環(huán)形器等非互易電磁器件?；趶V義變換光學(xué)理論，研究團隊引入描述非互易光學(xué)介質(zhì)的時(shí)變黎曼幾何理論和基于標架旋轉的等價(jià)黎曼-嘉當幾何理論，利用時(shí)空撓率張量描述磁光和磁電耦合參數，統一解釋了包含磁光、磁電耦合介質(zhì)和具有局域旋轉自由度的時(shí)變介質(zhì)在內的一般線(xiàn)性非互易電磁介質(zhì)。
該工作一方面引入時(shí)空撓率的微觀(guān)構造，將相對論協(xié)變電動(dòng)力學(xué)推廣到非黎曼時(shí)空；另一方面表明通過(guò)標架變換可以實(shí)現光偏振態(tài)的調控。將標架變換與坐標變換相結合，原則上可以同時(shí)實(shí)現對電磁場(chǎng)的光線(xiàn)和偏振態(tài)的調控，為未來(lái)新型光學(xué)和電磁器件設計提供了理論基礎。
該研究成果近日發(fā)表于《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 130, 203801 (2023))。論文通訊作者為常凱和香港科技大學(xué)教授馮建雄。
本工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項目、香港大學(xué)教育資助委員會(huì )、中國科學(xué)院和半導體研究所人才項目的支持。
(a) 具有內部自由度的廣義連續統圖像；(b) 局域旋轉定義撓率張量。
