Uma ilustração que mostra o conceito de uma metassuperfície modulada em fase de espaço-tempo que consiste em nanoantenas dielétricas ressonantes operando em modo de reflexão. Uma modulação de fase móvel na forma senoidal é sobreposta no gradiente de fase projetado ao longo da direção horizontal. A luz que incide na metassuperfície com frequência ω é convertida em um feixe refletivo com frequência ω-Δω devido ao processo paramétrico decorrente da modulação de fase dinâmica, enquanto o feixe retropropagando com frequência ω-Δω é convertido em ω -2Δω em vez de ω, resultando em um efeito não recíproco. Crédito:por Xuexue Guo, Yimin Ding, Yao Duan, e Xingjie Ni
A propagação da luz é geralmente recíproca, o que significa que a trajetória da luz viajando em uma direção é idêntica à da luz viajando na direção oposta. Romper a reciprocidade pode fazer com que a luz se propague apenas em uma direção. Componentes ópticos que suportam tal fluxo unidirecional de luz, por exemplo, isoladores e circuladores, são blocos de construção indispensáveis em muitos sistemas modernos de laser e comunicação. Eles são atualmente quase exclusivamente baseados no efeito magneto-óptico, tornando os dispositivos volumosos e difíceis de integração. Uma rota magnética livre para alcançar propagação de luz não recíproca em muitas aplicações ópticas é, portanto, em grande demanda.
Recentemente, os cientistas desenvolveram um novo tipo de metassuperfície óptica com a qual a modulação de fase no espaço e no tempo é imposta à luz refletida, levando a caminhos diferentes para a propagação da luz para a frente e para trás. Pela primeira vez, A propagação não recíproca da luz no espaço livre foi realizada experimentalmente em frequências ópticas com um componente ultrafino.
"Esta é a primeira metassuperfície óptica com propriedades ultrarrápidas controláveis de variação no tempo que é capaz de quebrar a reciprocidade óptica sem um ímã volumoso, "disse Xingjie Ni, o Charles H. Fetter Professor Assistente no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual da Pensilvânia. Os resultados foram publicados esta semana em Luz:Ciência e Aplicações .
A metassuperfície ultrafina consiste em uma placa reflectora de prata que suporta a forma de bloco, nanoantenas de silício com um grande índice de Kerr não linear em comprimentos de onda do infravermelho próximo em torno de 860 nm. A interferência heteródina entre duas linhas de laser que estão estreitamente espaçadas em frequência foi usada para criar uma modulação de índice refrativo de onda viajante eficiente nas nanoantenas, o que leva a uma modulação de fase espaço-temporal ultrarrápida com uma frequência de modulação temporal sem precedentes de cerca de 2,8 THz. Esta técnica de modulação dinâmica exibe grande flexibilidade no ajuste de frequências de modulação espacial e temporal. Reflexões completamente assimétricas em propagações de luz para frente e para trás foram obtidas experimentalmente com uma largura de banda ampla em torno de 5,77 THz dentro de um comprimento de interação de subcomprimento de onda de 150 nm.
A luz refletida pela metassuperfície do espaço-tempo adquire uma mudança de momento induzida pelo gradiente de fase espacial, bem como uma mudança de frequência decorrente da modulação temporal. Ele exibe conversões fotônicas assimétricas entre reflexos para frente e para trás. Além disso, explorando a transferência de momento unidirecional fornecida pela geometria metassuperfície, conversões fotônicas seletivas podem ser controladas livremente projetando um estado de saída indesejado para ficar no proibido, ou seja, não propagativo, região.
Esta abordagem exibe excelente flexibilidade no controle da luz tanto no momento quanto no espaço de energia. Ele fornecerá uma nova plataforma para explorar a física interessante surgida de propriedades de materiais dependentes do tempo e abrirá um novo paradigma no desenvolvimento de materiais escaláveis, integrável, dispositivos não recíprocos sem ímã.
