En illustration som visar konceptet med en rymd-tidsfasmodulerad metayta bestående av resonerande dielektriska nanoantenner som arbetar i reflektionsläge. En färdfasmodulering i sinusform överlagras på den designade fasgradienten längs den horisontella riktningen. Ljus som träffar metaytan med frekvensen ω omvandlas till en reflekterande stråle med frekvensen ω-Δω på grund av den parametriska processen som uppstår från dynamisk fasmodulering, medan den bakåtriktade strålen med frekvensen ω-Δω omvandlas till ω -2Δω istället för ω, resulterar i en icke-ömsesidig effekt. Kredit:av Xuexue Guo, Yimin Ding, Yao Duan, och Xingjie Ni
Ljusutbredning är vanligtvis ömsesidig, vilket betyder att ljusets bana i en riktning är identisk med den för ljus som färdas i motsatt riktning. Brytande av ömsesidighet kan få ljuset att spridas endast i en riktning. Optiska komponenter som stöder ett sådant enriktat ljusflöde, till exempel isolatorer och cirkulatorer, är oumbärliga byggstenar i många moderna laser- och kommunikationssystem. De är för närvarande nästan uteslutande baserade på den magneto-optiska effekten, gör enheterna skrymmande och svåra att integrera. En magnetisk fri väg för att uppnå icke-reciprok ljusutbredning i många optiska tillämpningar är därför efterfrågad.
Nyligen, forskare utvecklade en ny typ av optisk metayta med vilken fasmodulering i både rum och tid påtvingas det reflekterade ljuset, leder till olika vägar för framåt och bakåt ljusutbredning. För första gången, icke-reciprok ljusutbredning i fritt utrymme realiserades experimentellt vid optiska frekvenser med en ultratunn komponent.
"Detta är den första optiska metaytan med kontrollerbara ultrasnabba tidsvarierande egenskaper som kan bryta optisk ömsesidighet utan en skrymmande magnet, "sa Xingjie Ni, Charles H. Fetter biträdande professor vid institutionen för elektroteknik vid Pennsylvania State University. Resultaten publicerades denna vecka i Ljus:Vetenskap och tillämpningar .
Den ultratunna metaytan består av en bakre reflektorplatta i silver som stöder blockformad, kiselnanoantenner med ett stort olinjärt Kerr-index vid nära-infraröda våglängder runt 860 nm. Heterodyninterferens mellan två laserlinjer som är tätt åtskilda i frekvens användes för att skapa effektiv resandevågsbrytningsindexmodulering på nanoantennerna, vilket leder till ultrasnabb rum-tid fasmodulering med oöverträffad stor tidsmodulationsfrekvens på cirka 2,8 THz. Denna dynamiska moduleringsteknik uppvisar stor flexibilitet vid avstämning av både rumsliga och tidsmässiga moduleringsfrekvenser. Helt asymmetriska reflektioner i ljusutbredning framåt och bakåt uppnåddes experimentellt med en bred bandbredd runt 5,77 THz inom en sub-våglängds interaktionslängd på 150 nm.
Ljus som reflekteras av rymd-tid-metaytan får en momentumförskjutning inducerad av den rumsliga fasgradienten såväl som en frekvensförskjutning som uppstår från den tidsmässiga moduleringen. Den uppvisar asymmetriska fotoniska konverteringar mellan reflektioner framåt och bakåt. Dessutom, genom att utnyttja enriktad momentumöverföring som tillhandahålls av metaytans geometri, selektiva fotoniska omvandlingar kan styras fritt genom att designa ett oönskat utgångstillstånd så att det ligger i det förbjudna, dvs icke-förökande, område.
Detta tillvägagångssätt uppvisar utmärkt flexibilitet när det gäller att styra ljus både i momentum och energiutrymme. Det kommer att tillhandahålla en ny plattform för att utforska intressant fysik som härrör från tidsberoende materialegenskaper och kommer att öppna ett nytt paradigm i utvecklingen av skalbara, integrerbar, magnetfria icke-ömsesidiga enheter.
