[论文解读] Temporal metamaterials with gain and loss

Víctor Pacheco‐Peña, Nader Engheta|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2021

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 53被引用 11

一句话总结

本文提出了一种具有时变介电常数的时序超材料理论框架，该框架同时包含增益与损耗，可在不改变波数的情况下，实现对单色电磁波的受控放大或衰减。通过在时间上调制介电常数的虚部，系统模拟出具有阶梯状行为的有效时序超材料，展示了通过增益-损耗工程实现的时空波控。

ABSTRACT

Manipulation of wave-matter interactions in systems with loss and gain have opened new mechanisms to control wave propagation at will. Metamaterials and metasurfaces having spatially inhomogeneous loss and gain have been studied in the past few years by exploiting parity-time (PT) symmetry concepts inspired from quantum-physics. In this work we theoretically study the control of light-matter interactions in spatially unbounded metamaterials having a time-modulated permittivity whose imaginary part is temporally modulated to induce loss and gain, while the real part stays unchanged. We show both numerically and theoretically how such temporally modulated multistepped metamaterials with loss and gain can be equivalent to a temporal effective metamaterial having an effective permittivity modelled by a step function in time. Interestingly, it is shown how the amplitude of a monochromatic electromagnetic wave traveling inside such temporal metamaterials can experience spatiotemporal decay or amplification depending on the values of loss and gain added into the system, while its wavenumber is preserved. We envision that our findings may open new avenues in exploration of potential applications of temporal metamaterials in signal amplification and loss mitigation.

研究动机与目标

• 研究具有时变介电常数的无空间边界超材料中的波-物质相互作用。
• 探讨时变损耗与增益在调控电磁波传播中的作用。
• 建立基于阶梯函数型时间调制的有效时序超材料理论模型。
• 展示波幅如何在保持波数恒定的情况下实现放大或衰减。
• 为光子系统中的信号放大与损耗抑制开辟新途径。

提出的方法

• 对具有时变虚部介电常数的多阶梯时序超材料进行理论建模，以模拟增益与损耗。
• 将宇称-时间（PT）对称性概念适配至时序系统，聚焦于介电常数的虚部。
• 通过数值模拟验证在时变损耗与增益条件下波的传播行为。
• 推导出在时间上表现为阶跃函数的等效介电常数模型。
• 分析波幅在时间边界处保持波数不变的演化过程。
• 将解析预测与数值结果进行对比，以确认一致性和鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超材料中时变的增益与损耗如何影响单色电磁波的波幅？
• RQ2 具有介电常数虚部阶梯状时间变化的时序超材料能否模拟出具有受控波幅放大或衰减的有效介质？
• RQ3 波数恒定在波通过此类时变系统时起什么作用？
• RQ4 损耗与增益的时间轮廓如何影响超材料的有效行为？
• RQ5 在时变介质中，波幅放大何时会主导于衰减？

主要发现

• 单色电磁波的波幅可因超材料中增益与损耗的时间轮廓而经历时空上的放大或衰减。
• 尽管存在时变损耗与增益，波的波数保持不变，表明波矢量守恒。
• 该系统表现出具有时间阶梯函数型等效介电常数的有效时序超材料行为。
• 数值结果与理论结果高度一致，验证了所提模型的有效性。
• 有效介质方法使得通过工程化增益-损耗循环可预测地控制波幅演化。
• 研究结果表明，该方法在光子与光学系统中的信号放大与损耗抑制方面具有潜在应用前景。