Science Advances：非厄密光子晶格中的无散射光传输

图1 诱导透明：通过精准控制能量流（图中雾团中的发光点表示），能实现人造材料对光信号完全透明

“宇宙，最后的疆域。”电影《星际迷航》中，进取号星际飞船在执行探索星系的任务时，所有通信渠道突然被一个无法穿透的星云切断。在这部标志性电视剧的一系列剧集中，船员们必须在一集短短45分钟的时间内用技术和科学解决问题，在片尾演员表开始前的时间内逃离这样和那样的困境。

罗斯托克大学的研究人员们通过长时间实验，成功设计出了一种全新人造材料。这种材料可以通过精确调谐能量流实现无失真传输光信号，研究成果发表于Science Advances。

“光在不均匀的介质中传播时会发生散射。散射会很快地将一束紧凑、定向的光束变成一团漫射的光晕，比如常见的夏日行云和秋季雾气。”罗斯托克大学物理研究所的Alexander Szameit教授描述了其团队考虑的出发点。值得注意的是，材料的微观密度分布决定了具体的散射特征。Szameit继续说道：“诱导透明的基本思想是利用一种不太常见的光学特性为光束‘开路’。”

这种不常见的性质在光子学领域被称为非厄米性。非厄米性描述了能量的流向，即光的放大和衰减。直观上看，与非厄米性相关的效应似乎一般是人们想要避免的，尤其是由于吸收导致的光束衰减，阻碍了信号传输。然而实际上非厄米效应已成为现代光学的关键研究方向，一个致力于利用损耗和放大的复杂相互作用来实现先进功能的独立研究领域。

“这种方法打开了全新的可能，”该论文的第一作者、在读博士生Andrea Steinfurth说。通过有选择地在微观水平上放大或减弱一束光束的特定部分，从而抵消后续可能的衰减；最终其光散射特性可能会被完全抑制。Steinfurth解释说：“我们正致力于对一种材料进行设计，以使其实现对特定光信号的最佳透过。要做到这一点，必须对能量流进行精确控制，使其像拼图块一样与材料和信号紧密拼合在一起。”通过与维也纳理工大学同事的密切合作，罗斯托克的研究人员成功地解决了这一挑战。实验中，他们重建并观测到了光信号与新设计的主动材料在数千米长光纤网络中的微观相互作用。

诱导透明只是这一成果有望实现的精彩应用之一。要想真的使某一物体消失，单单抵消散射是不够的，必须还要使光线完全不发生任何变化的出现在物体之后。然而实际即使在真空中，仅仅是光的衍射效应就会不可避免地使光信号发生改变。“我们的研究提供了一种材料设计方法，能使光线畅通无阻的通过材料，就如同这种材料以及其所在的空间区域都不存在。这一点即使是《星际迷航》中所虚构的罗慕伦人的隐形设备也无法实现。”文章共同作者Matthias Heinrich博士说，他重新将话题引回到了《星际迷航》。

本文的研究成果是非厄米光子学基础研究的重大突破，并为医用传感器等灵敏光学系统的主动微调提供了新途径。其他潜在的应用包括光学加密及安全数据传输，以及合成具有特定性能的通用人造材料等。

文章见：Andrea Steinfurth et al, Observation of photonic constant-intensity waves and induced transparency in tailored non-Hermitian lattices, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl7412。