导读

在变换光学与新型光学器件研究领域，突破材料损耗限制、实现理想光学反物质（互补介质），对推动完美成像、超散射、隐身等特殊光学应用至关重要。近日，美国斯坦福大学范汕洄教授团队展示了基于无源损耗材料与复频率激发结合的光学反物质实现技术，为解决传统负折射率超材料损耗难题、开发实用化互补介质系统提供了新型解决方案。该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Ideal Optical Antimatter using Passive Lossy Materials under Complex Frequency Excitation”，美国斯坦福大学的 Olivia Y. Long 为论文第一作者兼通讯作者，范汕洄教授为论文共同通讯作者。

研究背景

光学反物质作为变换光学的核心方向，能通过抵消介质的电磁散射效应，实现完美成像、超散射、隐身等特殊功能，对突破传统光学性能极限、开发新型光学器件至关重要。现有基于负折射率超材料的研究存在明显局限：传统负折射率材料需同时具备负介电常数与负磁导率，而受能量密度正定性约束，这类材料必然存在色散与损耗；实验中，损耗会严重削弱电磁响应，导致互补介质难以实现预期的光学抵消效果，无法稳定演示光学反物质功能，且传统方案依赖实频率激发，材料的电磁参数调控空间有限，难以适配不同应用场景的需求。

此外，现有复频率相关研究也存在短板：虽有理论提出复频率可改善负折射率透镜的分辨率，但未建立复频率与互补介质构建的关联，无法利用复频率解决材料损耗问题；部分研究探索了复频率下的光传播现象，却未形成系统的材料参数设计方法，难以实现任意复数值介电常数与磁导率的工程化调控；同时，现有无标记、低损耗的互补介质方案，要么仅适用于简单均匀介质，无法处理非均匀结构；要么依赖复杂的增益补偿，增加了实验难度与成本，制约了光学反物质从理论走向实际应用。

创新研究

研究团队创新性设计了基于无源损耗材料的复频率激发光学系统（如图 1）。他们通过复频率调控，让无源损耗材料满足介电常数与磁导率的互补条件，搭配特定的波矢控制方法实现光的无损耗传播，再结合有限差分频域法采集场分布信号。这种设计突破了传统技术局限，既解决了负折射率超材料因损耗难以实现光学反物质的问题，又弥补了实频率下材料无法同时具备互补电磁响应的不足，能在复频率下实现光学反物质功能，还能支持理想完美透镜与超散射现象的演示。

图1：复频率下的光学反物质。

进一步地，研究团队提出了新的复频率下材料参数调控方法（图 1）。团队通过洛伦兹-德鲁德模型推导，确定无源损耗材料的共振频率、等离子体频率等关键参数，使材料在复频率下呈现出与常规状态相反的电磁特性。对不同介质组合测试时，发现互补介质对能完全抵消彼此的光学效应，有效解决了传统互补介质依赖无损材料、难以在实际场景应用的问题，且无需复杂的增益补偿。

研究人员还优化了光学功能演示的实验适配方案（见图 2、图3）。他们针对不同应用场景设计特定结构，如用于完美透镜的三层介质结构、用于超散射的圆环-散射体组合结构；针对复频率激发的特性，采用坡印廷矢量分析与传输系数计算，评估光的传播与聚焦效果；还通过边界条件优化与场分布归一化，减少信号干扰，为变换光学领域的隐身、幻觉等复杂功能演示提供了可靠方案。

图2：复频率激发下光学反物质实现的理想完美透镜双聚焦效应。

图3：复频率下基于光学反物质的超散射实现。

总结与展望

该研究聚焦光学反物质实现的核心难题，提出在复频率激发下利用无源损耗材料构建互补介质的创新方案。研究通过理论推导证实，无源损耗材料可在特定复频率下满足介电常数与磁导率的互补条件，实现光的无损耗传播，且实频率下的正折射率材料能在复频率下表现出负折射率特性；结合数值模拟，验证了该方案在光学反物质、理想完美透镜双聚焦及超散射中的应用可行性，突破了传统负折射率超材料因损耗难以实现互补介质功能的局限。

未来研究可围绕两方面推进：一是探索该方案在更多变换光学领域的应用，如隐身斗篷、光学幻觉等，进一步拓展复频率激发下无源损耗材料的功能边界；二是优化复频率激发的实验实现方式，结合高速电光调制技术或多频率合成方法，推动光学反物质及相关功能从数值模拟走向实际器件开发，同时深入研究非厄米物理现象与该方案的结合潜力，为新型光学功能系统提供理论与技术支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02137-w