零折射率材料与拓扑光子学

当光线从一种物质进入另一种物质时，光线会改变方向-它会折射。由波斯物理学家Ibn Sahl提出，这是在数学定律中捕获的第一个效应之一，但折射指数n直到近千年后才被引入。麦克斯韦理论清楚地表明，折射率将自由空间中的波长与材料中的波长联系起来，在各向同性材料中，折射率等于介电常数和磁导率乘积的平方根。

       随着现有材料的增长，折射率的概念在现代物理学中变得更加微妙。材料通常是各向异性的，这意味着折射率取决于极化和传播方向。该指数也可以是复值的，有一个虚部表示材料吸收或放大波的程度，从而导致违反直觉的波效应，这仍然是热门研究的主题。它的实部也可以是正的，也可以是负的，负的折射率给出了相速度的反转，弯曲了波的方向，这对正折射率介质来说是不可能的。折射率也可以取非常接近零的值，其中波长变得任意大，而远点在电磁上是接近的，就像麦克斯韦的鱼眼透镜一样。通过小的零指数通道可以实现电磁波的近乎完美的传输，并且可以实现不寻常的边界条件，例如有效磁导体的边界条件。

       近日，来自英国埃克塞特大学物理和天文学系的S. A. R. Horsley等人通过最近在均匀陀螺介质中的单向传播方面的工作，研究了近零折射指数材料。显示单向传播的媒介通常是使用拓扑数学设计的，并涉及相当繁琐的计算。计算折射率中的零比计算一个Chern数要简单得多。他们发展了对折射率零点的理解，可以应用于设计支持单向传播的材料。他们发现了这种介质的一般条件，预测了新的波效应，重现了拓扑光子学文献中的许多已有发现。相关工作发表在《Nature physics》上。（郑江坡） 

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41567-020-01082-2