Space-Time Optical Diffraction from Synthetic Motion
本研究表明，氧化铟锡中超快激光诱导的反射率调制可以创建合成运动孔径，从而实现可调控的时空衍射图样的观测，这种图样模拟了超相对论多普勒效应，并为可编程的时空光变换提供了途径。
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光通常表现得像一个遵循严格地图的旅行者。当它撞击到一个静止物体（例如 CD 上的光栅或有图案的表面）时，光会向特定方向散射，但其颜色或频率保持完全相同。物体可以改变光传播的方向，但不能改变光本身的能量。相反，如果一种材料随时间快速改变其特性，它可以改变光的颜色，但无法改变传播的方向。几十年来，科学家一直将这两种效应——改变方向和改变颜色——视为独立的工具。一个塑造光的路径，另一个塑造其能量，但它们很少在单一的统一动作中协同工作。
这种分离限制了我们操控光的能力。为了创造复杂的、可编程的波束，以实现诸如隐藏物体或模拟黑洞极端物理现象等功能，研究人员需要一种能够同时改变光的方向和颜色的方法，并且这种改变是深度关联的。挑战在于，制造一种移动速度足以实现此目标的材料是不可能的；没有任何具有质量的物体能以超过光速的速度移动。然而，有一个聪明的变通方法。科学家可以创造“合成运动”，即一种变化的模式在表面上移动，并不是因为材料本身在移动，而是因为一个触发信号（例如激光脉冲）正在横扫过表面。这种模式可以比光速更快地移动，这一现象之所以被允许，是因为实际上并没有物理对象以如此高的速度旅行，移动的仅仅是变化的效应。
在最近的一项研究中，伦敦帝国理工学院和埃克塞特大学的研究人员展示了如何利用这种合成运动以一种全新的方式弯曲光。他们使用了一种名为氧化锡铟（indium tin oxide）的极薄材料薄膜，该薄膜厚度仅为 40 纳米——大约只有人类头发宽度的万分之一。这种材料具有一种特殊的性质：当受到强力超快激光脉冲照射时，其反射光的能力会发生剧烈变化。研究人员使用了泵浦-探测（pump-probe）设置，这是一种其中一个激光脉冲作为触发器，而第二个较弱的脉冲作为探测器来测量结果的技术。
团队首先通过斜向照射薄膜发射一个宽阔的激光脉冲，创造了一个连续的变化波。由于脉冲是以倾斜角度击中表面的，材料反射率发生变化的那个点看起来在表面上以超光速竞逐。当他们把第二束较弱的光束照射到这个竞逐的变化模式上时，光不仅仅是反弹了，而是以一种方向与颜色交织的复杂舞步发生了衍射（或散射）。研究人员发现，从薄膜中射出的光其方向和颜色是紧密关联的。如果光以略微不同的角度散射，其颜色也会以一种可预测的方式发生偏移。这种相关性意味着光正在经历一种变换，这种变换是任何静态物体或仅仅通过随时间改变材料本身都无法实现的。
为了证明这种效应是由合成运动的速度驱动的，研究人员改变了竞逐模式的速度。他们通过改变入射激光脉冲的角度来实现这一点。当模式移动速度慢于探测光束时，光发生向一个方向的偏移；当模式移动得更快时，偏移则转向相反的方向。角度变化与颜色变化之间的关系如此精确，以至于它与基于多普勒效应（Do same principle makes a siren sound higher as it approaches and lower as it moves away）的理论模型相吻合。在这种情况下，“警笛”是移动的反射率模式，而“声音”是光波。研究人员计算出，这种合成运动的速度是超光速的，即超过了光速，但这种相互作用的物理学原理依然成立，表现得就像一个以超光速移动的粒子撞击了探测光束一样。
团队还探索了第二种方法，即从连续波转向离散的、逐步的运动。他们没有使用单个扫过的脉冲，而是向薄膜的不同位置发射两个分离的、微小的激光脉冲，并在两者之间保持精确的时间延迟。这创造了两个明显的、看似在两点之间移动的反射率变化区域。当探测光束击中这两个区域时，它产生了一个干涉图样，类似于著名的双缝实验，但这种实验是在空间和时间上同时发生的。由此产生的光图样呈现出对角线条纹，其中颜色和方向是相互关联的，这证实了即使在离散的步骤中，合成运动也能以统一的方式控制光的特性。
这些研究结果意义重大，因为它们表明人类可以以前所未有的控制水平来操纵光。研究人员测得的衍射效率高达 4.2%，对于如此复杂的相互作用来说，这是一个很高的数值，且他们的数值模拟证实了观察到的图样是时空非分离调制的直接结果。该研究排除了这些效应仅仅是空间变化和时间变化之和的可能性；相反，数据表明了一种独特的、非互易的行为，即如果时间方向反转，光无法简单地沿原路返回。这表明该系统打破了通常的时间对称性，这一特征对于未来的光学器件至关重要。
虽然其直接应用领域属于基础物理学，但创造这些可编程时空变换的能力为新技术打开了大门。研究人员指出，此类系统可以用于模拟相对论现象，例如光在黑洞附近的行为，而无需实际需要黑洞那样的极端引力。他们还指出了在通信和传感领域的潜在用途，在这些领域，同时引导光并改变其频率的能力可以带来更快、更高效的数据传输。通过掌握合成运动的艺术，科学家们向构建一种能够以曾经仅存在于理论中的方式来塑造光的全新光学器件迈出了重要一步。
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