Una ilustración que muestra el concepto de una metasuperficie modulada en fase espacio-temporal que consiste en nanoantenas dieléctricas resonantes que operan en modo de reflexión. Una modulación de fase viajera en forma sinusoidal se superpone al gradiente de fase diseñado a lo largo de la dirección horizontal. La luz que incide en la metasuperficie con frecuencia ω se convierte en un haz reflectante con frecuencia ω-Δω debido al proceso paramétrico que surge de la modulación de fase dinámica, mientras que el haz de retropropagación con frecuencia ω-Δω se convierte en ω -2Δω en lugar de ω, resultando en un efecto no recíproco. Crédito:por Xuexue Guo, Yimin Ding, Yao Duan, y Xingjie Ni
La propagación de la luz suele ser recíproca, lo que significa que la trayectoria de la luz que viaja en una dirección es idéntica a la de la luz que viaja en la dirección opuesta. Romper la reciprocidad puede hacer que la luz se propague solo en una dirección. Componentes ópticos que soportan tal flujo de luz unidireccional, por ejemplo, aisladores y circuladores, son bloques de construcción indispensables en muchos sistemas de comunicación y láser modernos. Actualmente se basan casi exclusivamente en el efecto magneto-óptico, haciendo que los dispositivos sean voluminosos y difíciles de integrar. Por lo tanto, existe una gran demanda de una ruta libre de magnéticos para lograr la propagación de la luz no recíproca en muchas aplicaciones ópticas.
Recientemente, Los científicos desarrollaron un nuevo tipo de metasuperficie óptica con la que se impone a la luz reflejada la modulación de fase tanto en el espacio como en el tiempo, conduciendo a diferentes caminos para la propagación de la luz hacia adelante y hacia atrás. Por primera vez, La propagación de luz no recíproca en el espacio libre se realizó experimentalmente a frecuencias ópticas con un componente ultradelgado.
"Esta es la primera metasuperficie óptica con propiedades de variación en el tiempo ultrarrápidas controlables que es capaz de romper la reciprocidad óptica sin un imán voluminoso, "dijo Xingjie Ni, el profesor asistente Charles H. Fetter en el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Estatal de Pensilvania. Los resultados fueron publicados esta semana en Luz:ciencia y aplicaciones .
La metasuperficie ultradelgada consta de una placa reflectora trasera plateada que soporta en forma de bloque, nanoantenas de silicio con un gran índice de Kerr no lineal en longitudes de onda del infrarrojo cercano de alrededor de 860 nm. Se utilizó la interferencia heterodina entre dos líneas láser que están muy espaciadas en frecuencia para crear una modulación eficiente del índice de refracción de ondas viajeras en las nanoantenas. lo que conduce a una modulación de fase de espacio-tiempo ultrarrápida con una frecuencia de modulación temporal sin precedentes de aproximadamente 2,8 THz. Esta técnica de modulación dinámica exhibe una gran flexibilidad en la sintonización de frecuencias de modulación tanto espaciales como temporales. Las reflexiones completamente asimétricas en las propagaciones de luz hacia adelante y hacia atrás se lograron experimentalmente con un ancho de banda amplio alrededor de 5.77 THz dentro de una longitud de interacción de sub-longitud de onda de 150 nm.
La luz reflejada por la metasuperficie del espacio-tiempo adquiere un cambio de impulso inducido por el gradiente de fase espacial, así como un cambio de frecuencia derivado de la modulación temporal. Presenta conversiones fotónicas asimétricas entre reflejos hacia adelante y hacia atrás. Además, explotando la transferencia de momento unidireccional proporcionada por la geometría de la metasuperficie, Las conversiones fotónicas selectivas se pueden controlar libremente diseñando un estado de salida no deseado que se encuentre en lo prohibido, es decir, no propagativo, región.
Este enfoque muestra una excelente flexibilidad para controlar la luz tanto en el espacio de impulso como en el de energía. Proporcionará una nueva plataforma para explorar la física interesante surgida de las propiedades de los materiales dependientes del tiempo y abrirá un nuevo paradigma en el desarrollo de materiales escalables, integrable, Dispositivos no recíprocos sin imanes.
