[论文解读] Scattering in Subluminal and Superluminal Space-Time Crystals

Zoé-Lise Deck-Léger, Nima Chamanara+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2018

Quantum optics and atomic interactions被引用 6

一句话总结

本文提出一种广义传递矩阵方法，用于分析具有均匀调制速度的空间-时间（ST）晶体中的电磁波散射，实现了封闭形式的色散关系及透射/反射计算。研究发现，亚光速ST晶体可衰减特定频带，而超光速ST晶体则可放大这些频带，展示了通过相对论调制动力学实现对波传播的主动调控。

ABSTRACT

In this paper, we develop the tools to calculate the scattering of electromagnetic waves from periodic structures having uniform velocities, which we name space-time (ST) crystals. We first extend the conventional transfer matrix method to ST layered structures. Using this method, we find the closed-form dispersion relation and plot the dispersion diagram of unbounded ST crystals and calculate the transmission and reflection of a bounded structure. Subluminal and superluminal modulation velocities are studied. Crystals with subluminal modulation velocity attenuate certain frequency bands, while those with superluminal modulation velocity amplify certain frequency bands.

研究动机与目标

• 将传统的传递矩阵方法扩展至处理具有均匀调制速度的空间-时间（ST）晶体。
• 推导无限ST晶体的封闭形式色散关系，并分析其能带结构。
• 计算有限ST晶体结构的透射与反射系数。
• 研究亚光速与超光速ST晶体在波操控行为上的差异。

提出的方法

• 将标准传递矩阵方法改进，以包含空间与时间中的时变周期调制，将ST晶体视为具有均匀速度调制的层状介质。
• 通过在空间和时间上施加周期性边界条件求解波动方程，推导出封闭形式的色散关系。
• 利用推导出的色散关系生成并分析无限ST晶体的色散图。
• 应用传递矩阵形式化方法，计算有限、受限ST结构的透射与反射系数。
• 比较亚光速（v < c）与超光速（v > c）调制速度下ST晶体的散射响应。
• 基于调制速度与光速的相对关系，分析频带的衰减或放大行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 空间-时间晶体的色散关系如何依赖于其调制速度？其对应的能带结构是什么？
• RQ2 在亚光速调制下，有限ST晶体的透射与反射行为如何？
• RQ3 超光速调制如何影响ST晶体中特定频带的放大或抑制？
• RQ4 传递矩阵方法能否推广以描述具有均匀速度的运动周期介质中的波散射？
• RQ5 亚光速ST晶体中衰减与超光速ST晶体中放大的物理机制分别是什么？

主要发现

• 广义传递矩阵方法成功导出无限空间-时间晶体的封闭形式色散关系，实现了完整的能带结构分析。
• 亚光速ST晶体表现出因调制速度低于光速而引起的频带衰减。
• 超光速ST晶体展现出对特定频带的放大，表明其具备主动波操控能力。
• 利用扩展的传递矩阵形式化方法，对有限ST晶体的透射与反射系数进行了解析计算。
• 亚光速与超光速调制之间的差异导致根本不同的波控结果——分别为衰减与放大。
• 结果表明，具有超光速调制的空间-时间晶体可作为电磁波放大的有源介质。