Kredit:Shixiong Yin, Emanuele Galiffi och Andrea Alù
Metamaterial - artificiella medier med skräddarsydda subvåglängdsstrukturer - har nu omfattat ett brett spektrum av nya egenskaper som inte är tillgängliga i naturen. Detta forskningsfält har sträckt sig över olika vågplattformar, vilket lett till upptäckten och demonstrationen av en mängd exotiska vågfenomen. Senast har metamaterialkoncept utvidgats till den tidsmässiga domänen, vilket banat väg för helt nya koncept för vågkontroll, såsom icke-reciprok utbredning, tidsreversering, nya former av optisk förstärkning och drag.
Samtidigt har konceptet designermateria också inspirerat betydande forskningsinsatser inom kondenserad materiens fysik, vilket vidgat horisonten för kända faser av materia. Av särskilt intresse har varit den senaste tidens aktivitet inom Floquet-materia, kännetecknad av periodiska moduleringar pålagda, t.ex. via en stark optisk puls, på energilandskapet som upplevs av elektronerna i ett system, och förändrar därmed deras steady-state dynamik dramatiskt.
I en ny artikel om Perspective publicerad i eLight , pekar ett team av forskare under ledning av professor Andrea Alù från City University of New York (CUNY) ut möjlighetsfönstret som erbjuds vid sammanflödet mellan Floquet-materia och metamaterial. Deras Perspective-dokument belyser de spännande möjligheter som uppstår genom deras synergier.
Ett område där Floquet-fysiken nyligen har funnit grogrund är topologiska isolatorer, material som är värd för vågor som är immuna mot att sprida föroreningar eller störningar i ett material, och vars upptäckt ledde till 2016 års Nobelpris i fysik. Statiska topologiska isolatorer hämtar vanligtvis sina exotiska egenskaper från deras specifika rumsliga kristallina arrangemang eller på appliceringen av ett magnetfält. Den periodiska tidsmoduleringen i ett Floquet-system kan dock även producera ett syntetiskt effektivt magnetfält, som inte är unikt för elektroner, utan kan alltså realiseras för elektromagnetiska vågor (fotoner), elastiska vibrationer i ett fast material eller luft (fononer), eller till och med vattenvågor, som normalt inte upplever effekterna av ett fysiskt magnetfält.
Optiska implementeringar av Floquet-system har traditionellt sett realiserats genom att ersätta den tidsmässiga riktningen med en rumslig. Men enligt Noethers teorem innebär tidsmässiga inhomogeniteter i sig närvaron av vinst och förlust i ett system:Det vanliga antagandet om energibesparing håller i allmänhet inte i ett sådant scenario, varvid energi utbyts med den externa mekanismen (som fungerar som en energi). bad) som utövar tidsmoduleringen. På grund av sin inneboende icke-jämviktsdynamik kan Floquet-topologiska system vara värd för unika funktioner som inte är tillgängliga inom deras statiska motsvarigheter.
Parallellt möjliggör metamaterial anpassning av extrema våg-materia-interaktioner, och den tidsmässiga dimensionen har nyligen dykt upp som en ny grad av frihet för att konstruera exotisk vågdynamik. Detta har inkluderat tidsreversering (nämligen den tidsmässiga analogen av reflektion vid en gräns mellan två medier), icke-reciprocitet (riktningsberoende vågutbredning i ett material) och många andra effekter. Viktigt är att metamaterialkonceptet nu har expanderat över de flesta vågvärlden och erbjuder en idealisk plattform där koncept som har sitt ursprung i Floquet-fysikgemenskapen kan blomstra och hitta en rik experimentell lekplats.
Men bredden av vågfysik som omfattas av metamateriella begrepp ger också sina egna exotiska förvecklingar och rikedom av fysisk sofistikering. Till exempel har de flesta fotoniska system en inneboende tidsfördröjning i deras svar på en infallande våg, som vanligtvis saknas när man löser Schrodinger-ekvationen för materiavågor som elektroner. Denna effekt, som kallas dispersion (som ligger bakom uppdelningen av vitt ljus i regnbågens färger av till exempel ett prisma), introducerar en rik lekplats för att designa nya former av materialsvar när materialegenskaperna växlas i tid med ultrasnabba hastigheter. Dessa ultrasnabba (snabbare än vågperioden) förändringar i materialegenskaper efterliknar, i den tidsmässiga domänen, vad som inom metamaterialfältet kallas metaatomer:dessa är de grundläggande byggstenarna vars individuella respons och periodiska arrangemang ger upphov till de framväxande egenskaperna av ett metamaterial.
Att skräddarsy den specifika temporala växlingen som tillämpas på en metastruktur öppnar därför en outforskad väg för design av Floquet-metamaterial, strukturer där synergin mellan responsen från enstaka temporala metaatomer och deras framväxande Floquet-beteende kan utnyttjas för design av helt nya former av våg-materia interaktioner. Således lovar detta sammanflöde att berika båda områdena med utvecklingen av nya grundläggande koncept, såväl som en mängd möjligheter för experimentella implementeringar över alla (klassiska) vågvärlden. + Utforska vidare
