Glad, alsidig lysmanipulation på chip er nu mulig med supersymmetri

Transformationsoptik har formuleret en alsidig ramme til at forme strømmen af ​​lys og skræddersy dets rumlige egenskaber efter ønske. Koordinattransformationen giver ofte ekstreme materialeparametre, der ikke er gennemførlige selv med metamaterialer.

I et nyt papir udgivet i eLight , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Liang Feng fra University of Pennsylvania, har udviklet en ny chip, der kan overføre forskellige optiske tilstande for at skifte lysstrømme. Deres papir, med titlen "Bredbånd kontinuerlig supersymmetrisk transformation:et nyt paradigme for transformationsoptik," søger at give en tilpasningsdygtig strategi til at tæmme lysstrømmen.

Forsøg på at bøje lys efter behov og vilkårlig transformere dets rumlige karakteristika er forankret i elektromagnetikkens grundlæggende principper. Form-invariansen af ​​Maxwells ligninger under koordinattransformationer førte til formuleringen af ​​transformationsoptik. Deres ækvivalens giver mulighed for omarrangering af elektromagnetiske felter i et givet koordinatsystem. Det har efterladt åbne veje til en række spændende funktionaliteter såsom usynlighedstilsløring og illusionsoptik.

Metamaterialer har fremragende designfleksibilitet og muliggør en bred vifte af optiske egenskaber. Eksperimentel realisering af transformationsoptik har været i et dødvande i et årti på grund af optisk ekstremitet og singularitet, der ofte er et resultat af transformationen. Derfor er nye ordninger for transformationsoptik med bredbåndsparameterværdier inden for opnåelige grænser afgørende.

For eksempel var konform kortlægning med det rumligt varierende lokale brydningsindeks blevet påvist. Denne teknik kan udføre koordinattransformationen ved hjælp af inhomogene Si nanostrukturer. Det kan give en delikat fase-frontkontrol til flerfarvet tæppetilsløring. Denne tilgang belyste muligheden for at udnytte gradient-indeks (GRIN) til at fordreje rummet. Men et paradigmatisk skift ud over traditionel koordinattransformation er yderligere påkrævet for at opnå rigere funktionalitet end at bøje banerne.

Her tager forskerholdet en anden tilgang end konventionel transformationsoptik:at observere Hamiltonian af systemet under transformation. Hamiltonianerens invarians under symmetrioperation giver os indsigt i, hvordan et system kan transformeres med en bevaret størrelse. Især Supersymmetry (SUSY) har de degenererede egenenergispektre mellem to forskellige Hamiltonianere, hvilket har lettet avanceret kontrol af lysets rumlige karakteristika.

Strategisk kobling mellem det originale optiske system og dets dissipative superpartner har udløst spændende applikationer såsom høj-udstråling single-mode mikrolaser arrays og mode division multiplexing. Disse tidligere eksperimentelle undersøgelser er baseret på gitter Hamiltonians, som kan faktoriseres via matrixdrift. Derfor konstruerede de systemer sammensat af mange koblede diskrete elementer svarende til koblede bølgeledere eller resonatorer.

I modsætning hertil er den udvidede metode for SUSY, der kan generere et uendeligt antal strengt isospektrale potentialer, forblevet eksperimentelt uudforsket, da det kræver en iboende anderledes tilgang til at realisere vilkårlige potentialer. Samtidig er dens matematiske ramme ideel til den kontinuerlige Hamiltonske transformation for at muliggøre et særskilt scenarie for transformationsoptik.

Forskerholdet rapporterede den første eksperimentelle demonstration af kontinuerlig SUSY-transformation ved at designe et nyt GRIN-metamateriale på en Si-platform. Ideen er at konstruere et metamateriale, der kan efterligne vilkårlige potentialer for at opnå avanceret lyskontrol ved at transformere de optiske medier under supersymmetri.

De udnyttede synergien af ​​supersymmetri og metamaterialet til at designe rumligt varierende dielektrisk permittivitet. Det udgjorde et todimensionelt kort, hvor vilkårlige transformationer foreskrives samtidigt til flere optiske tilstande til routing, switching og spatial mode-formning, mens de strengt bibeholder deres oprindelige udbredelseskonstanter. Deres resultat indeholdt bredbåndskontinuerlig SUSY-transformationsoptik. Samspillet mellem supersymmetri og et metamateriale, som blev demonstreret i denne undersøgelse, belyste en ny vej til fuldt ud at udnytte en chips rumlige frihedsgrader til alsidige fotoniske funktionaliteter.

Teamets kontinuerlige SUSY-transformationstilgang er skalerbar til et højere antal egentilstande og frie parametre. Det gælder for mere kompliceret indeksdistribution, hvilket skaber en ideel platform til on-chip space-division multiplexing i informationsteknologier. Derudover kan en yderligere udvidelse af SUSY-transformationen til højere dimensioner give en designstrategi til at udnytte det fulde potentiale af metamaterialer i det tredimensionelle rum. + Udforsk yderligere

Skaber usynlighed med superledende materialer