Los metamateriales, medios artificiales con estructuras de sublongitud de onda adaptadas, ahora han abarcado una amplia gama de propiedades novedosas que no están disponibles en la naturaleza. Este campo de investigación se ha extendido a través de diferentes plataformas de olas, lo que ha llevado al descubrimiento y demostración de una gran cantidad de fenómenos de olas exóticos. Más recientemente, los conceptos de metamateriales se han extendido al dominio temporal, allanando el camino a conceptos completamente nuevos para el control de ondas, como la propagación no recíproca, la inversión del tiempo, nuevas formas de ganancia óptica y arrastre.

Mientras tanto, el concepto de materia de diseño también ha inspirado importantes esfuerzos de investigación en la física de la materia condensada, ampliando el horizonte de las fases conocidas de la materia. De particular interés ha sido la actividad reciente en materia de Floquet, caracterizada por modulaciones periódicas impuestas, p. a través de un fuerte pulso óptico, en el paisaje energético experimentado por los electrones en un sistema, alterando así su dinámica de estado estacionario dramáticamente.

En un nuevo artículo de Perspective publicado en eLight , un equipo de científicos dirigido por el profesor Andrea Alù de la City University of New York (CUNY) señala la ventana de oportunidad que ofrece la confluencia entre la materia Floquet y los metamateriales. Su documento Perspective destaca las emocionantes oportunidades que surgen de sus sinergias.

Un ámbito en el que la física de Floquet ha encontrado terreno fértil recientemente es el de los aislantes topológicos, materiales que albergan ondas inmunes a la dispersión de impurezas o desorden en un material, y cuyo descubrimiento condujo al Premio Nobel de Física de 2016. Los aisladores topológicos estáticos suelen extraer sus propiedades exóticas de su disposición cristalina espacial específica o de la aplicación de un campo magnético. Sin embargo, la modulación temporal periódica en un sistema Floquet también puede producir un campo magnético efectivo sintético, que no es exclusivo de los electrones, pero por lo tanto puede realizarse para ondas electromagnéticas (fotones), vibraciones elásticas en un material sólido o aire (fonones), o incluso ondas de agua, que normalmente no experimentan los efectos de un campo magnético físico.

Las implementaciones ópticas de los sistemas Floquet se han realizado tradicionalmente reemplazando la dirección temporal por una espacial. Sin embargo, de acuerdo con el teorema de Noether, las faltas de homogeneidad temporal implican intrínsecamente la presencia de ganancias y pérdidas en un sistema:la suposición común de la conservación de la energía generalmente no se cumple en tal escenario, en el que la energía se intercambia con el mecanismo externo (que actúa como una fuente de energía). baño) ejerciendo la modulación del tiempo. Debido a su dinámica intrínseca de no equilibrio, los sistemas topológicos de Floquet pueden albergar características únicas que no están disponibles en sus contrapartes estáticas.

Paralelamente, los metamateriales permiten la adaptación de interacciones extremas entre onda y materia, y la dimensión temporal ha surgido recientemente como un nuevo grado de libertad para diseñar dinámicas de onda exóticas. Esto ha incluido la inversión del tiempo (es decir, el análogo temporal de la reflexión en un límite entre dos medios), la no reciprocidad (propagación de onda dependiente de la dirección en un material) y muchos otros efectos. Es importante destacar que el concepto de metamaterial ahora se ha expandido a la mayoría de los reinos de ondas, ofreciendo una plataforma ideal donde los conceptos que se originaron en la comunidad física de Floquet pueden florecer y encontrar un campo de juego experimental rico.

Sin embargo, la amplitud de la física de ondas abarcada por los conceptos de metamateriales también trae sus propias complejidades exóticas y riqueza de sofisticación física. Por ejemplo, la mayoría de los sistemas fotónicos presentan un retraso temporal intrínseco en su respuesta a una onda incidente, que normalmente está ausente cuando se resuelve la ecuación de Schrödinger para ondas de materia como los electrones. Este efecto, llamado dispersión (que se encuentra detrás de la división de la luz blanca en los colores del arco iris por un prisma, por ejemplo), introduce un campo de juego rico para diseñar nuevas formas de respuestas materiales cuando las propiedades del material cambian en el tiempo a velocidades ultrarrápidas. Estos cambios ultrarrápidos (más rápidos que el período de la onda) en las propiedades de los materiales imitan, en el dominio temporal, lo que en el campo de los metamateriales se denominan metaátomos:estos son los bloques de construcción fundamentales cuya respuesta individual y disposición periódica dan lugar a las propiedades emergentes. de un metamaterial.

Por lo tanto, adaptar el cambio temporal específico aplicado a una metaestructura abre una vía inexplorada para el diseño de metamateriales Floquet, estructuras donde la sinergia entre la respuesta de metaátomos temporales únicos y su comportamiento emergente de Floquet puede aprovecharse para el diseño de metamateriales completamente nuevas formas de interacción onda-materia. Por lo tanto, esta confluencia promete enriquecer ambos campos con el desarrollo de conceptos fundamentales novedosos, así como una gran cantidad de oportunidades para implementaciones experimentales en todos los reinos de ondas (clásicos). + Explora más

Justo a tiempo:la variación temporal de la interacción luz-materia impulsa los metamateriales fotónicos