近期，国防科技大学光电科学与工程学院的刘伟博士在磁反射镜领域取得了新进展。他的研究发现：反射镜的类型和所激发的电磁极子的类别（电极子或磁极子）及阶数（偶极子、四极子和八极子等）并没有直接的关联，它仅仅是由电磁极子辐射相位的宇称所决定的。磁反射镜的实现并不一定依赖有效磁响应，而电响应也并不一定导致电反射镜。相关成果由刘伟博士独立撰文发表在Physical Review Letters [119, 123902 (2017)]上，并被选为Editors' Suggestion。

当理查德•费曼敲击邦戈鼓鼓面不同部位的时候，邦戈鼓能发出不同声调的声响；当贝比•鲁斯挥动球棒的时候，棒球几乎总能被球棒最合适的部位(Sweet-spot)击中从而飞得更远；当我们使用微波炉加热的时候，微波炉里的转盘最好能正常旋转，否则我们会吃到半生不熟的东西。所有这些现象都和自然界中最重要的原理之一，即驻波的形成以及其能量的分布特性高度相关。

在光学和光子学领域，反射镜作为多种光电设备中最重要的光学器件，亦是可以被用来观察驻波的最简单的光学元件。当一束光被反射镜反射后，反射光和入射光会相互干涉并形成驻波。我们可以大致将反射镜分成两类(如图1(a)-(b))：电反射镜和磁反射镜。对于电反射镜，入射光和反射光电场在镜面上相干相消并形成波节；而对于磁反射镜，入射光和反射光的电场在镜面上相干相长并形成波腹(电场热点, Electric Hot-spots)。从相位的角度来考虑，入射电场被电反射镜反射时存在半波损失(Half-wave Loss)，而磁反射镜能有效地消除这一相位突变。最常见的光学反射镜，例如金属反射镜等均大致属于电反射镜。而对于众多实际应用，例如光电传感和探测、非线性谐波的产生以及光伏设备中光电流的产生等，均需要磁反射镜来有效增强界面上的电场强度以增强激光和物质的相互作用。

图1 (a)-(b)电反射镜和磁反射镜镜面上入射和反射电磁波场分量方向示意图（E：电场；H：磁场；k：电磁波传播方向）;(c) 一维圆柱阵列结构可以完美反射电磁波，且可以灵活控制反射光相位，以实现各种类型的电、磁反射镜

近年来，随着超材料(Metamaterials)领域特别是其超平面(Metasurface)分支的迅猛发展，科学家已经发现了诸多能有效调控光束相位的方法，并可按需实现各种类型的电反射镜和磁反射镜。对于磁反射镜的实现，现有的绝大部分方案均依赖于在各种类型的结构中有效地激发磁偶极子；与此同时，大家也普遍将电反射镜和电偶极子的激发紧密地联系起来。这样一来，就基本上形成了某种不成文的共识：如同反射镜名字中的“电”和“磁”所预示的那样，电反射镜源自于各种材料和结构的电响应特性而磁反射镜的实现需要依赖于有效的磁响应。

近期，刘伟博士的研究工作证明上述的共识实际上是一种错觉。深入的研究后发现，反射镜的类型和所激发的电磁极子的类别(电极子或磁极子)以及阶数(偶极子、四极子和八极子等)并没有直接的关联，它仅仅是由电磁极子辐射相位的宇称所决定的：偶宇称(前向和后向散射同相位)和奇宇称(前向和后向散射反相位)的激发分别决定了电反射镜和磁反射镜的产生。对于偶极子，电偶极子具有偶宇称所以导致电反射镜，而磁偶极子具有奇宇称所以导致磁反射镜。然而将研究推广到下一阶的四极子的时候，发现电四极子和磁四极子的辐射分别具有奇宇称和偶宇称，表明电四极子和磁四极子可以被分别用来实现磁反射镜和电反射镜，这和偶极子的情形截然不同。电磁极子的辐射宇称分布有以下特性：同阶数不同类别的电磁极子的宇称相反；同类型不同阶数的电磁极子，相邻阶数的电磁极子的宇称相反。总之，磁反射镜的实现并不一定需要有效磁响应，而电响应也并不一定导致电反射镜。

图2 (a) 由于高折射率圆柱中的电磁极子的共振激发，一维圆柱阵列能完全反射入射光并形成驻波。当圆柱中的电偶极子或磁四极子被共振激发时，得到电反射镜((b)-(c))；而如果被共振激发的是磁偶极子或电四极子，得到磁反射镜((d)-(e))。根据电磁极子的宇称特性，类似的研究亦可拓展到更高阶的电磁极子。

在全面分析电磁极子宇称特性的基础上，刘伟博士选取光学领域中最基本的一维圆柱阵列结构（如图1(c)和图2(a)所示），利用其中磁四极子和电四极子的共振激发分别实现了电反射镜和磁反射镜(如图2所示)。该项工作揭示并极大地推广了反射镜背后的核心概念，全面揭示了电磁极子的激发和反射镜类型之间更为系统和精确的关联，并为实现多种类型的电、磁反射镜以及更加自由灵活的光束相位调控提供了广阔的操纵空间。

需要强调的是，该项工作的意义超越了提出广义磁反射镜的概念这一目的本身：(1) 在纳米光子学领域，以往的研究往往过度地集中于电偶极子和磁偶极子，而在某种程度上忽视了高阶电磁极子，尽管高阶极子包含有同等的、甚至是更为丰富的物理信息。此项研究将有助于改变这一现状，并促使相关领域的研究人员更为系统地研究整个电磁极子家族的全体成员以及它们之间的近、远场干涉特性，从而为纳米光子学各相关分支的发展提供新的助力；(2) 过去20年纳米光子学领域经历了前所未有的迅猛发展，大家普遍相信上世纪90年代J. B. Pendry教授提出的非磁材料中的有效磁响应概念是这一波发展的基石，且在众多研究分支上发挥了不可替代的核心作用。该项工作无疑挑战了这一观念，并可能激发人们重新审视有效磁响应这一概念的重要性和不可替代性，从而致力于在更为简洁的纯电响应结构中实现一些此前认为必须依靠磁响应才能实现的各种电磁调控功能；(3) 此项工作在物理和工程学相关学科的教育和教学方面也有重要意义。众所周知，在大部分有关电磁极子展开的教材(特别是《电动力学》)以及相关课程中，教材作者和授课教师往往会无意识地引导读者和学生过多关注多极子辐射的强度分布，而在某种程度上忽视甚至无视其相位分布特性。该项研究表明，理解多机子的辐射相位和辐射强度同样重要，这有望促使多极子辐射的相位和强度的整体特性在以后的教材和课堂教学中得到更为全面地阐述。

该项工作得到了自然科学基金委和国防科技大学青年拔尖人才计划资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.123902。

更多刘伟博士今年发表的关于多极子共振激发和干涉的工作：

1. W. Liu and Y. S. Kivshar, Phil. Trans. R. Soc. A 375, 20160317 (2017) (Invited Review).

2. W. Liu and A. E. Miroshnichenko，Laser Photon. Rev. 11, 1700103 (2017) (Front Cover Article).

3. W. Liu, Phys. Rev. A 96, 023854 (2017).