[論文レビュー] Nonreciprocal Metasurface with Space-Time Phase Modulation

Xuexue Guo, Yimin Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 34被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、空間時間位相変調を用いた非再帰的メタサーフェスを提示し、約860 nmで一方向の光反射を実現する。超薄膜メタサーフェスにおける非線形効果による Kerr 効果を用いた多テラヘルツ帯域の時間的位相の揺らぎと、空間的位相勾配を組み合わせることで、150 nmのサブ波長厚さの範囲内で非対称な反射を実現し、磁場を用いずに再帰性を破った。

ABSTRACT

Creating materials with time-variant properties is critical for breaking reciprocity that imposes fundamental limitations to wave propagation. However, it is challenging to realize efficient and ultrafast temporal modulation in a photonic system. Here, leveraging both spatial and temporal phase manipulation offered by an ultrathin nonlinear metasurface, we experimentally demonstrated nonreciprocal light reflection at wavelengths around 860 nm. The metasurface, with traveling-wave modulation upon nonlinear Kerr building blocks, creates spatial phase gradient and multi-terahertz temporal phase wobbling, which leads to unidirectional photonic transitions in both momentum and energy spaces. We observed completely asymmetric reflections in forward and backward light propagations within a sub-wavelength interaction length of 150 nm. Our approach pointed out a potential means for creating miniaturized and integratable nonreciprocal optical components.

研究の動機と目的

• 時間変動する材料を用いて、光子系における根本的な再帰性の限界を克服すること。
• 外部磁場を必要としない非再帰的光の操作を達成すること。
• 空間時間的位相変調を用いて、超高速でコンactかつ統合可能な光学素子を実現すること。
• 運動量空間およびエネルギー空間における一方向の光子遷移を実現すること。
• サブ波長厚さのメタサーフェスプラットフォームにおいて非再帰性を検証すること。

提案手法

• 動的位相変調を可能にする非線形 Kerr 型の構成要素からなる超薄膜非線形メタサーフェスを採用すること。
• 進行波変調を適用して、メタサーフェス全体に空間的位相勾配を生成すること。
• 非線形光学的応答を介して、多テラヘルツ帯域の時間的位相の揺らぎを誘発すること。
• 空間時間的位相プロファイルを設計し、運動量空間およびエネルギー空間における一方向の光子遷移を生成すること。
• 150 nm 厚のメタサーフェスを用いて、サブ波長相互作用長以内で非再帰的反射を達成すること。
• 約860 nmで、前向きと後向きの光伝搬における反射非対称性を測定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場を用いずに、サブ波長厚さのメタサーフェスで非再帰的光の反射を達成できるか？
• RQ2 空間時間位相変調は、運動量空間およびエネルギー空間における一方向の光子遷移をどのように可能にするか？
• RQ3 非線形 Kerr 効果が、非再帰性のための超高速時間的変調を可能にする役割は何か？
• RQ4 150 nm の相互作用長内で、非再帰性はどの程度達成できるか？
• RQ5 空間時間的位相プロファイルの工学的設計は、コンactかつ統合可能なプラットフォームでローレンツ再帰性を破ることができるか？

主な発見

• メタサーフェスは、約860 nmで、前向きと後向きの光伝搬における完全な非対称な反射を達成した。
• 150 nm のサブ波長相互作用長内で非再帰性が実証され、コンパクト性が確認された。
• 非線形 Kerr 効果を介して、メタサーフェス構造内で多テラヘルツ帯域の時間的位相の揺らぎが達成された。
• 空間的位相勾配と時間的位相変調の組み合わせにより、運動量空間およびエネルギー空間における一方向の光子遷移が可能になった。
• 外部磁場を必要としなかったため、オンチップ統合への可能性が開かれた。
• 実験結果は、空間時間位相変調下での非再帰的反射を確認し、理論的枠組みの妥当性を検証した。