近零折射率材料（NZI，Near-zero-index）具有调控光与物质相互作用的能力，因此具有重要的研究价值。对于这一材料的理论分析往往基于能量考虑及细致平衡方程，但很少有从动量方面进行考虑。近日，来自美国哈佛大学、宾夕法尼亚大学和丹麦理工大学的研究团队理论分析了零折射材料中光与物质相互作用时的动量关系。基于对阿布拉罕-闵可夫斯基争论（Abraham-Minkowski debate）的重新审视，该工作厘清了两种动量定义的适用范围，并给出了在零折射率材料中各动量的性质。
在物理学中，就像在生活中一样，从不同的角度看待事物总是好的。
自量子物理学诞生以来，光如何运动以及如何与周围的物质相互作用，主要是通过其能量的透镜从数学上进行描述和理解的。1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）用能量解释了加热物体如何发出光，这是量子力学基础上的一项开创性研究。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦提出光子的概念时使用了能量。
但光还有另一个同样重要的性质，即动量。事实证明，当你失去动量时，光开始以非常有趣的方式运行。
一个接近零折射率的超材料的例子显示，当光穿过时，它以恒定的相位移动。图片来源：Second Bay Studios / Harvard SEAS
哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）副研究员Michaël Lobet和巴尔干斯基大学（Balkanski）物理学与应用物理学教授Eric Mazur领导的一个国际物理学家团队正在从动量的角度重新审视量子物理学的基础，并探索当光的动量降至零时会发生什么。
任何具有质量和速度的物体都有动量— — 从原子到子弹再到小行星 — — 动量可以从一个物体转移到另一个物体。当子弹发射时，枪会产生后坐力，因为子弹的动量会转移到枪上。在微观尺度上，由于光子获得的动量，原子在发光时会反冲。爱因斯坦在撰写辐射量子理论时首次描述了原子反冲，它是控制光发射的一种基本现象。
但在普朗克和爱因斯坦之后一个世纪，一类新的超材料正在提出有关这些基本现象的问题。这些超材料的折射率接近于零，这意味着当光穿过它们时，它不会像波一样以波峰和波谷的相位传播。相反，波被拉伸到无穷远，形成一个恒定的相位。当这种情况发生时，许多典型的量子力学过程消失了，包括原子反冲。
为什么？这一切都要回到动力上来。在这些所谓的近零折射率材料中，光的波动量变为零，当波动量为零时，会发生奇怪的事情。
“在三维近零折射率材料中，基本辐射过程受到抑制，”Lobet说，他目前是比利时纳穆尔（Namur）大学的讲师。“我们意识到，在近零折射率材料中，原子的动量反冲是被禁止的，电磁场和原子之间不允许动量转移。”
如果仅仅打破爱因斯坦的一条规则还不够，研究人员还打破了量子物理学中最著名的实验— — 杨氏双缝实验。这个实验在全球的教室里被用来演示量子物理中的粒子波二象性 — — 表明光可以同时显示波和粒子的特性。
零折射率材料杨氏双缝实验模拟图
在一种典型的材料中，穿过两个狭缝的光会产生两个相干波源，这些波源相互干扰，在屏幕中心形成一个亮点，两边都有一个光和暗条纹图案，称为衍射条纹。
“当我们对杨氏双缝实验进行建模和数值计算时，发现当折射率降低时，衍射条纹消失了，”合著者、丹麦技术大学的Larissa Vertchenko说。
“可以看出，这项工作质疑了量子力学的基本定律，并探索了波粒二象性的极限，”合著者西班牙潘普洛纳纳瓦拉公立大学（Public University of Navarre in Pamplona）的Iñigo Liberal说。
在近零折射率材料中，一些基本过程受到抑制，而另一些过程则得到增强。以另一个著名的量子现象为例— — 海森堡测不准原理，在物理学中更准确地称为海森堡不等式。这一原理表明，你不能完全准确地知道一个粒子的位置和速度，你对其中一个知道得越多，对另一个知道得就越少。但是，在接近零折射率的材料中，你100%确定粒子的动量为零，这意味着你完全不知道在任何给定时刻粒子在材料中的位置。
Lobet说：“这种材料的显微镜性能非常差，但它确实能够完美地遮盖物体。”。“在某种程度上，物体变得不可见。”
Mazur说：“这些新的理论结果从动量的角度为近零折射率光子学提供了新的线索。”。“它为理解低折射率系统中的光- 物质相互作用提供了见解，这对激光和量子光学应用非常有用。”
这项研究还可以为其他应用提供帮助，包括量子计算、一次发射一个光子的光源、光通过波导的无损传播等等。
该团队接下来的目标是从动量的角度重新审视这些材料中的其他基础量子实验。毕竟，尽管爱因斯坦没有预测折射率接近零的材料，但他确实强调了动量的重要性。在他1916年发表的关于基本辐射过程的开创性论文中，爱因斯坦坚持认为，从理论角度来看，能量和动量“应该在完全平等的基础上考虑，因为能量和动量以最接近的方式联系在一起。”
Lobet说：“作为物理学家，追随爱因斯坦这样的巨人的脚步，进一步推动他们的想法是一个梦想。”。“我们希望我们能提供物理学家可以使用的新工具和新视角，这可能有助于我们理解这些基本过程并开发新的应用。”
Michaël Lobet et al, Momentum considerations inside near-zero index materials, Light: Science & Applications (2022). DOI: 10.1038 / s41377-022-00790-z
通过阅读原文了解“零折射材料中的动量考虑”的研究成果。
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