[论文解读] 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 10

一句话总结

该论文通过时空相位调制实现非互易超表面，在约860 nm波长下实现单向光反射。通过在超薄超表面中结合空间相位梯度与多太赫兹时间相位抖动（利用非线性克尔效应），系统在150 nm亚波长厚度内实现非互易反射，无需外加磁场即可打破互易性。

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.

研究动机与目标

• 通过时变材料克服光子系统中的基本互易性限制。
• 在无需外部磁场的条件下实现非互易光调控。
• 通过时空相位调制实现超快、紧凑且可集成的光学器件。
• 在动量空间和能量空间中实现单向光子跃迁。
• 在亚波长厚度超表面平台上验证非互易性。

提出的方法

• 采用由克尔型单元构成的超薄非线性超表面，以实现动态相位调制。
• 应用行波调制在超表面表面产生空间相位梯度。
• 通过非线性光学响应诱导多太赫兹时间相位抖动。
• 设计时空相位分布，以在动量空间和能量空间中产生单向光子跃迁。
• 利用150 nm厚的超表面，在亚波长相互作用长度内实现非互易反射。
• 测量在约860 nm波长下，前向与后向光传播之间的反射不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在无外加磁场的亚波长厚度超表面中实现非互易光反射？
• RQ2 时空相位调制如何在动量空间和能量空间中实现单向光子跃迁？
• RQ3 非线性克尔效应在实现非互易性所需的超快时间调制中起到何种作用？
• RQ4 在150 nm相互作用长度内，非互易性可达到何种程度？
• RQ5 能否通过相位分布的时空工程在紧凑且可集成的平台上打破洛伦兹互易性？

主要发现

• 该超表面在约860 nm波长下实现了前向与后向光传播的完全非对称反射。
• 非互易性在150 nm的亚波长相互作用长度内得到验证，证实了其紧凑性。
• 通过超表面结构中的非线性克尔效应实现了多太赫兹时间相位抖动。
• 空间相位梯度与时间相位调制的结合，实现了在动量空间和能量空间中的单向光子跃迁。
• 系统无需外加磁场即可打破互易性，具备潜在的片上集成能力。
• 实验结果证实了在时空相位调制下实现非互易反射，验证了理论框架。