Rum-tid metasurface gør, at lys kun reflekteres i én retning

Lysspredning er normalt gensidig, hvilket betyder, at banen for lys, der rejser i én retning, er identisk med den for lys, der rejser i den modsatte retning. Brydende gensidighed kan få lyset til kun at forplante sig i én retning. Optiske komponenter, der understøtter en sådan ensrettet lysstrøm, for eksempel isolatorer og cirkulatorer, er uundværlige byggesten i mange moderne laser- og kommunikationssystemer. De er i øjeblikket næsten udelukkende baseret på den magneto-optiske effekt, gør enhederne omfangsrige og vanskelige at integrere. En magnetisk-fri rute til at opnå ikke-gensidig lysudbredelse i mange optiske applikationer er derfor meget efterspurgt.

For nylig, videnskabsmænd udviklede en ny type optisk metasurface, hvormed fasemodulation i både rum og tid pålægges det reflekterede lys, fører til forskellige veje for lysudbredelsen frem og tilbage. For første gang, ikke-gensidig lysudbredelse i frit rum blev realiseret eksperimentelt ved optiske frekvenser med en ultratynd komponent.

"Dette er den første optiske metasurface med kontrollerbare ultrahurtige tidsvarierende egenskaber, der er i stand til at bryde optisk gensidighed uden en omfangsrig magnet, " sagde Xingjie Ni, Charles H. Fetter adjunkt i afdelingen for elektroteknik ved Pennsylvania State University. Resultaterne blev offentliggjort i denne uge i Lys:Videnskab og applikationer .

Den ultratynde metaoverflade består af en sølvbagreflektorplade, der understøtter blokformet, siliciumnanoantenner med et stort ikke-lineært Kerr-indeks ved nær-infrarøde bølgelængder omkring 860 nm. Heterodyn interferens mellem to laserlinjer, der er tæt adskilt i frekvens, blev brugt til at skabe effektiv rejsebølge brydningsindeksmodulation på nanoantennerne, hvilket fører til ultrahurtig rum-tid fasemodulation med hidtil uset stor tidsmodulationsfrekvens på omkring 2,8 THz. Denne dynamiske modulationsteknik udviser stor fleksibilitet ved tuning af både rumlige og tidsmæssige modulationsfrekvenser. Fuldstændig asymmetriske refleksioner i lysudbredelse frem og tilbage blev opnået eksperimentelt med en bred båndbredde omkring 5,77 THz inden for en sub-bølgelængde interaktionslængde på 150 nm.

Lys, der reflekteres af rum-tid-metasfladen, opnår et momentumskift induceret af den rumlige fasegradient såvel som et frekvensskift opstået fra den tidsmæssige modulation. Det udviser asymmetriske fotoniske konverteringer mellem fremadrettede og bagudrettede refleksioner. Ud over, ved at udnytte ensrettet momentumoverførsel leveret af metasurface-geometrien, selektive fotoniske konverteringer kan frit kontrolleres ved at designe en uønsket outputtilstand til at ligge i det forbudte, dvs. ikke-udbredende, område.

Denne tilgang udviser fremragende fleksibilitet i styring af lys både i momentum og energirum. Det vil give en ny platform til at udforske interessant fysik opstået fra tidsafhængige materialeegenskaber og vil åbne et nyt paradigme i udviklingen af ​​skalerbar, integrerbar, magnetfri ikke-gensidige enheder.