Slør grænsen mellem Floquet-stof og metamaterialer

Metamaterialer - kunstige medier med skræddersyede subbølgelængdestrukturer - har nu omfattet en bred vifte af nye egenskaber, som ikke er tilgængelige i naturen. Dette forskningsfelt har strakt sig over forskellige bølgeplatforme, hvilket har ført til opdagelsen og demonstrationen af ​​et væld af eksotiske bølgefænomener. Senest er metamaterielle koncepter blevet udvidet til det tidsmæssige domæne, hvilket baner vejen for helt nye koncepter for bølgekontrol, såsom ikke-gensidig udbredelse, tidsvending, nye former for optisk forstærkning og træk.

I mellemtiden har konceptet designerstof også inspireret betydelige forskningsindsatser inden for kondenseret stofs fysik, hvilket udvider horisonten for kendte faser af stof. Af særlig interesse har været den seneste aktivitet i Floquet-stof, karakteriseret ved periodiske modulationer pålagt, f.eks. via en stærk optisk puls, på det energilandskab, som elektronerne i et system oplever, og derved ændre deres steady-state dynamik dramatisk.

I et nyt Perspective-papir udgivet i eLight , peger et team af forskere ledet af professor Andrea Alù fra City University of New York (CUNY) ud af mulighederne, der tilbydes ved sammenløbet mellem Floquet-stof og metamaterialer. Deres Perspective-papir fremhæver de spændende muligheder, der opstår fra deres synergier.

Et område, hvor Floquet-fysikken for nylig har fundet grobund, er topologiske isolatorer, materialer, der er vært for bølger, der er immune mod at sprede urenheder eller uorden i et materiale, og hvis opdagelse førte til Nobelprisen i fysik i 2016. Statiske topologiske isolatorer trækker typisk deres eksotiske egenskaber fra deres specifikke rumlige krystallinske arrangement eller ved påføring af et magnetfelt. Den periodiske tidsmæssige modulation i et Floquet-system kan dog også producere et syntetisk effektivt magnetfelt, som ikke er unikt for elektroner, men som således kan realiseres for elektromagnetiske bølger (fotoner), elastiske vibrationer i et fast materiale eller luft (fononer), eller endda vandbølger, som normalt ikke oplever virkningerne af et fysisk magnetfelt.

Optiske implementeringer af Floquet-systemer er traditionelt blevet realiseret ved at erstatte den tidsmæssige retning med en rumlig. Men ifølge Noethers sætning indebærer tidsmæssige inhomogeniteter i sig selv tilstedeværelsen af ​​gevinst og tab i et system:Den almindelige antagelse om energibevarelse holder generelt ikke i et sådant scenarie, hvor energi udveksles med den eksterne mekanisme (som fungerer som en energi). bad) udøver tidsmodulationen. På grund af deres iboende ikke-ligevægtsdynamik kan Floquet topologiske systemer være vært for unikke funktioner, der ikke er tilgængelige i deres statiske modstykker.

Parallelt hermed muliggør metamaterialer skræddersyning af ekstreme bølge-stof-interaktioner, og den tidsmæssige dimension er for nylig dukket op som en ny grad af frihed til at konstruere eksotiske bølgedynamik. Dette har inkluderet tids-reversering (nemlig den tidsmæssige analog af refleksion ved en grænse mellem to medier), ikke-gensidighed (retningsafhængig bølgeudbredelse i et materiale) og mange andre effekter. Det er vigtigt, at metamateriale-konceptet nu er udvidet på tværs af de fleste bølgeriger og tilbyder en ideel platform, hvor koncepter, der stammer fra Floquet-fysiksamfundet, kan blomstre og finde en rig eksperimentel legeplads.

Imidlertid bringer bredden af ​​bølgefysik, der er omfattet af metamaterielle begreber, også sine egne eksotiske forviklinger og rigdom af fysisk sofistikering. For eksempel har de fleste fotoniske systemer en iboende tidsmæssig retardering i deres reaktion på en indfaldende bølge, som typisk er fraværende, når man løser Schrodinger-ligningen for stofbølger såsom elektroner. Denne effekt, kaldet dispersion (som ligger bag spaltningen af ​​hvidt lys i regnbuens farver ved f.eks. et prisme), introducerer en rig legeplads til at designe nye former for materialerespons, når materialets egenskaber skiftes i tid med ultrahurtige hastigheder. Disse ultrahurtige (hurtigere end bølgeperioden) ændringer i materialeegenskaber efterligner i det tidsmæssige domæne, hvad der på metamaterialeområdet kaldes meta-atomer:disse er de grundlæggende byggesten, hvis individuelle respons og periodiske arrangement giver anledning til de emergent egenskaber af et metamateriale.

Derfor åbner skræddersyet af den specifikke tidsmæssige omskiftning anvendt til en metastruktur en uudforsket vej for design af Floquet-metamaterialer, strukturer, hvor synergien mellem responsen fra enkelte tidsmæssige metaatomer og deres nye Floquet-adfærd kan udnyttes til design af fuldstændigt nye former for bølge-stof-interaktioner. Således lover dette sammenløb at berige begge felter med udviklingen af ​​nye grundlæggende koncepter, såvel som et væld af muligheder for eksperimentelle implementeringer på tværs af alle (klassiske) bølgeområder. + Udforsk yderligere

Tidspunkt:Tidsmæssig variation af lys-stof-interaktion booster fotoniske metamaterialer