光路通常不依賴於光的傳播方向。也就是說，光的去路和歸路是完全相同的路徑（光線的可逆性）。不過，理論預測顯示，當光在特殊磁性材料的界面折射時，去路和歸路的光路可能改變。此次，東京大學研究生院新領域創成科學研究科的研究生（研究時）豐田新悟與助教阿部伸行和教授有馬孝尚一起，透過實驗成功觀測到了在去路和歸路發生的不對稱光折射現象（圖1（b）），並還成功地定量解釋了這種現象。此次的成果顛覆了光的去路和歸路相同這一光學常識，預計將對物理可用能學產生重大影響。相關研究論文發佈在美國物理可用能學會的快報期刊《物理可用能評論快報》上。
光總是沿着所有路徑中能最快透過的路徑傳播。這種現象被稱爲費馬原理，是物理可用能學領域最重要的原理之一。一般來說，即使光的傳播方向逆轉，物質中的光速也不會改變，因此無論去路還是歸路，最短時間的路徑是相同的，光路不會改變。即使是圖1（a）那樣具有雙折射特性的物質，也沒有打破這個規律。
但此次的研究發現，在名爲多鐵性材料的特殊磁性材料中，光的速度（即折射率）在去路和歸路有時是不同的。在這種物質中，去路和歸路的最短時間路徑也不同，如圖1（b）所示，光的傳播方向改變就會導致光路產生偏移。以前提出過這種去路和歸路存在不對稱光傳播現象的理論，但一直沒有相關的實驗報告。其終極因數是，光的傳播方向逆轉所引起的折射率變化通常都非常小。
圖1：（a）普通物質中的雙折射現象。即使光的傳播方向逆轉，光路也不會改變。例如，光從點X向點Y前進時，同樣也可以從點Y返回點X。（b）此次在偏硼酸銅（CuB2O4）中發現的不對稱折射現象。即使光是從點X向點Y前進，但傳播方向逆轉後，光會到達另一個點X’。也就是說，光的去路和歸路發生了變化。
研究小組此前發現，偏硼酸銅這種物質的光響應性例外地顯示出很大的不對稱，並且認爲其不對稱的程度足夠觀測到光路的偏移。另外，在實驗中，透過逆轉光的傳播方向，以及透過等效磁場反轉測量光軸的位移，實施了對光路偏移的精確測量。最終，研究小組透過磁場反轉測量到了0.50微米的光軸位移，成功觀測到了不對稱折射現象。另外還應答，觀測到的位移量與利用費馬原理預測的值定量一致。
此次發現的不對稱折射現象只能在偏硼酸銅變爲磁鐵的條件下、也就是在零下252攝氏度以下的低溫下才能觀測到。不過，隨着研究的進步，今後如果能開拓出在常溫下滿足上述條件的物質，則有望應用於光學元件等。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
