互动科普

负折射之争

Graham P. Collins

光通过水或其他介质会产生折射，这本来毋庸置疑。然而，最近产生一个热烈的争议：光通过某种具有负折射系数的特定介质时，会发生什么现象呢？光将被折射到法线的同侧。根据伦敦帝国学院John Pendry的说法，用这种物质做成的理想平板，将成为一个完美的透镜，这种透镜产生的图像远小于普通透镜中的止点，即衍射极限。

某种物质的折射系数是由其介电常数和磁导系数决定的。俄国科学家Victor Veselago在20世纪60年代就提出：如果一个物质的介电常数与磁导系数都是负值，则该物质的折射系数也将是负值。对于负折射系数物质，在电磁波的能量向前传递的同时，波峰和波谷却在向后传播。这种特性导致了对无数奇异现象的预测，例如逆多普勒效应（迎着波前进却导致了红移而不是蓝移）。

许多材料，例如等离子体和金属，都有负的介电常数，却没有一种天然物质具有负的磁导系数。2001年，由加州大学圣地亚哥分校的David Smith所领导的一个小组演示了一种“元物质”（metamaterial），对某一窄频带内的微波具有负介电常数与负磁导系数。这种物质由小的铜环和铜线的阵列制成。圣地亚哥研究小组的研究显示：当微波通过用上述物质做成的小透镜时，其折射方向与它通过相同形状的四氟乙烯透镜时产生折射的方向相反（四氟乙烯之于微波就如同玻璃之于可见光）。
   然而，后来人们对这种负磁导系数的解释产生质疑。马德里市的西班牙国家研究委员会的Nicolas Garcia和Manuel Nieto- Vesperinas指出，这一切仅仅是因为棱镜的厚端部（thick end）吸收了更多的微波而产生的。他们用一个薄的金楔子和可见光做实验，以证明在没有发生负折射时也能获得类似的结果。Smith反驳说金楔子的吸收率比他们的“元物质”吸收率大了很多个数量级，而且而无法重现Nicolas等人的实验结果。

在2002年5月发表的一篇论文中，美国德州大学奥斯丁分校的Prashant Valanju及其同事对负折射系数材料的基本理论表示了怀疑。他们指出，调制波的前锋（就像光脉冲的前锋一样）在负折射系数材料中的排列方式和在正折射系数材料中是一样的——任何其他的结论都将破坏基本的因果律并要求部分波以无限速度传播。Valanju还指出，负折射系数材料始终需要面对的一个问题是：被负折射的波将会因为色散现象而在几个波长范围内迅速消散。

Smith和Pendry同意Valanju关于波前锋排列方式的说法，但是他们坚持认为，无论如何波还是会沿着负折射的方向传播。对于色散现象，Smith指出：从本质上来看负折射系数材料的表现并不一定比正折射系数材料差，在较窄但可用的频段内，经过负折射的波还是能够持续存在的。实际上，UCSD小组已经得到了一定的支持。在波音公司的幻影工厂里，包括物理学家Claudio Parazzoli在内的一个研究小组已经再现了棱镜实验。在他们的实验中，经过负折射的波保持了约30个波长，这个范围可比UCSD小组最初的实验结果大多了。

能否制造出一个可完美成像的理想厚片还是一个未知数。有些论文认为吸收和色散将彻底破坏负折射效应；还有一些则声称虽然完美成像是不可能的，但是当“元物质”满足一系列严格的条件后，亚衍射极限的成像还是可能的。Pendry在最新的论文中指出：将厚片切成薄片和将负折射系数材料的薄片间隔一定距离排开，将极大地增强聚焦效果。这样的实施方式有点像光纤，对包括亚衍射极限部分在内的电磁波进行导向。一些研究小组（例如Smith的小组）正在努力探究超成像效应。但是，从以往的经验来看，即使有了实验结果也不太可能迅速平息这场争论。

【何毓松/译 李爱珺/校】