Kontinuerlig supersymmetrisk transformation ordineras samtidigt och individuellt till flera optiska tillstånd (betecknade med färgerna:blå, röd och grön) för modformning och routing inom gradientindexmetamaterialet. Den högra panelen visar intensitetsfältprofilerna för de individuella optiska tillstånden efter transformationen. Kredit:Jieun Yim et al
Transformationsoptik har formulerat ett mångsidigt ramverk för att forma ljusflödet och skräddarsy dess rumsliga egenskaper efter behag. Koordinattransformationen ger ofta extrema materialparametrar som är omöjliga även med metamaterial.
I en ny tidning publicerad i eLight , ett team av forskare, ledda av professor Liang Feng från University of Pennsylvania, har utvecklat ett nytt chip som kan överföra olika optiska tillstånd för att byta ljusflöden. Deras artikel, med titeln "Bredband kontinuerlig supersymmetrisk transformation:ett nytt paradigm för transformationsoptik", försöker tillhandahålla en anpassningsbar strategi för att tämja ljusflödet.
Försök att böja ljus på begäran och godtyckligt omvandla dess rumsliga egenskaper har sina rötter i grunderna för elektromagnetik. Forminvariansen av Maxwells ekvationer under koordinattransformationer ledde till formuleringen av transformationsoptik. Deras ekvivalens möjliggör omarrangering av elektromagnetiska fält i ett givet koordinatsystem. Det har lämnat öppna vägar till en rad spännande funktioner som osynlighetscloaking och illusionsoptik.
Metamaterial har utmärkt designflexibilitet och möjliggör ett brett utbud av optiska egenskaper. Experimentellt förverkligande av transformationsoptik har befunnit sig i ett dödläge i ett decennium på grund av optisk extremitet och singularitet som ofta är ett resultat av transformationen. Därför är nya scheman för transformationsoptik med bredbandsparametervärden inom möjliga gränser väsentliga.
Till exempel hade konform kartläggning med det rumsligt varierande lokala brytningsindexet påvisats. Denna teknik kan utföra koordinattransformationen med hjälp av inhomogena Si-nanostrukturer. Det kan ge känslig fas-front kontroll för flerfärgad matta cloaking. Detta tillvägagångssätt klargjorde möjligheten att utnyttja gradient-index (GRIN) för att förvränga utrymmet. Men ett paradigmatiskt skifte bortom traditionell koordinattransformation krävs ytterligare för att uppnå rikare funktionalitet än att böja banorna.
Här tar forskargruppen ett annat tillvägagångssätt än konventionell transformationsoptik:observera Hamiltonian för systemet under transformation. Hamiltonians invarians under symmetrioperation ger oss insikter i hur ett system kan transformeras med en bevarad kvantitet. Supersymmetry (SUSY) har i synnerhet de degenererade egenenergispektra mellan två distinkta Hamiltonianer, vilket har underlättat avancerad kontroll av ljusets rumsliga egenskaper.
Strategisk koppling mellan det ursprungliga optiska systemet och dess dissipativa superpartner har utlöst spännande applikationer som högstrålande enkelmodsmikrolasermatriser och moddivisionsmultiplexering. Dessa tidigare experimentella studier är baserade på gitter Hamiltonians, som kan faktoriseras via matrisoperation. Därför konstruerade de system sammansatta av många kopplade diskreta element motsvarande kopplade vågledare eller resonatorer.
Däremot har den utökade metoden för SUSY som kan generera ett oändligt antal strikt isospektrala potentialer förblivit experimentellt outforskad eftersom den kräver en helt annan strategi för att realisera godtyckliga potentialer. Samtidigt är dess matematiska ramverk idealiskt för den kontinuerliga Hamiltonska transformationen för att möjliggöra ett distinkt scenario för transformationsoptik.
Forskargruppen rapporterade den första experimentella demonstrationen av kontinuerlig SUSY-transformation genom att designa ett nytt GRIN-metamaterial på en Si-plattform. Tanken är att konstruera ett metamaterial som kan efterlikna godtyckliga potentialer för att uppnå avancerad ljuskontroll genom att transformera det optiska mediet under supersymmetri.
De utnyttjade synergin av supersymmetri och metamaterialet för att designa rumsligt varierande dielektrisk permittivitet. Den utgjorde en tvådimensionell karta där godtyckliga transformationer föreskrivs samtidigt till flera optiska tillstånd för routing, omkoppling och formning av rumslig mod, samtidigt som deras ursprungliga utbredningskonstanter strikt bibehålls. Deras resultat innehöll kontinuerlig SUSY-transformationsoptik för bredband. Samspelet mellan supersymmetri och ett metamaterial som visades i denna studie belyste en ny väg till att fullt ut utnyttja ett chips rumsliga frihetsgrader för mångsidiga fotoniska funktioner.
Teamets kontinuerliga SUSY-transformationsmetod är skalbar till ett högre antal egentillstånd och fria parametrar. Det gäller för mer komplicerad indexdistribution, vilket skapar en idealisk plattform för on-chip rymddivisionsmultiplexing inom informationsteknik. Att ytterligare utöka SUSY-transformationen till högre dimensioner kan dessutom ge en designstrategi för att utnyttja den fulla potentialen hos metamaterial i det tredimensionella rummet. + Utforska vidare
