光的傳播通常是互換的，這意味著光在一個(gè)方向上傳播的軌跡，與在相反方向上傳播光的軌跡相同。破壞互易性可以使光只向一個(gè)方向傳播。支持這種單向光流的光學(xué)部件，例如隔離器和環(huán)行器，是許多現(xiàn)代激光和通信系統(tǒng)中不可或缺的構(gòu)件。

目前幾乎完全基于磁光效應(yīng)，使得設(shè)備體積龐大，難以集成。因此，在許多光學(xué)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)非互易光傳播的無(wú)磁路徑需求量很大，現(xiàn)在科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新型的光學(xué)亞表面

它對(duì)反射光進(jìn)行空間和時(shí)間上的相位調(diào)制，從而導(dǎo)致光的前向和后向傳播路徑不同。首次利用超薄元件實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光在自由空間中的非互易傳輸。賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程系查爾斯·H·費(fèi)特助理教授倪興杰(音譯)說(shuō)：這是第一個(gè)具有可控超快時(shí)變特性的光學(xué)準(zhǔn)表面，能夠在沒(méi)有巨大磁鐵的情況下打破光學(xué)互易性。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》期刊上。超薄的亞表面由一個(gè)銀背反射板組成，它支撐著塊狀的硅納米天線。

在近紅外波長(zhǎng)約860 nm處具有較大的非線性克爾指數(shù)。利用頻率相近的兩條激光線之間的外差干涉，在納米天線上產(chǎn)生了高效的行波折射率調(diào)制，從而產(chǎn)生了超快的時(shí)空相位調(diào)制，其時(shí)間調(diào)制頻率達(dá)到了前所未有的2.8THz。這種動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)在調(diào)諧空間和時(shí)間調(diào)制頻率方面表現(xiàn)出極大的靈活性。在150 nm的亞波長(zhǎng)相互作用范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了前向和后向光傳輸?shù)耐耆粚?duì)稱反射，帶寬約為5.77THz。由時(shí)空亞表面反射光獲得由空間相位梯度引起的動(dòng)量漂移以及由時(shí)間調(diào)制引起的頻移。

它在前向反射和后向反射之間表現(xiàn)出不對(duì)稱的光子轉(zhuǎn)換。此外，通過(guò)利用亞表面幾何提供的單向動(dòng)量轉(zhuǎn)移，可以通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)不想要的輸出態(tài)來(lái)自由地控制選擇性光子轉(zhuǎn)換，該輸出態(tài)位于禁止區(qū)域，即非傳播區(qū)。這種方法在控制動(dòng)量和能量空間中的光方面，表現(xiàn)出極好的靈活性。它將為探索由隨時(shí)間變化的材料性質(zhì)，而產(chǎn)生的有趣物理提供一個(gè)新平臺(tái)，并將在開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展、可集成、無(wú)磁鐵的非互易器件方面打開(kāi)一個(gè)新范式。

創(chuàng)造具有時(shí)變特性的材料，對(duì)于打破對(duì)波傳播施加基本限制的互易性至關(guān)重要。然而，在光子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效、超快的時(shí)間調(diào)制非常具有挑戰(zhàn)性。新研究利用超薄非線性變形表面提供的空間和時(shí)間相位操作，實(shí)驗(yàn)演示了波長(zhǎng)在860?nm附近的非互易光反射。亞表面在非線性克爾結(jié)構(gòu)塊上進(jìn)行行波調(diào)制，產(chǎn)生空間位相梯度和多太赫茲時(shí)間位相抖動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)量空間和能量空間發(fā)生單向光子躍遷。新方法突出了制造小型化和可集成非互易光學(xué)元件的潛在手段。

博科園｜研究/來(lái)自：中國(guó)科學(xué)院

參考期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》

DOI: 10.1038/s41377-019-0225-z

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