近日，美国宾夕法尼亚州立大学电子工程系的Xingjie Ni教授的研究团队发表了题为“Nonreciprocal Metasurface with Space-Time Phase Modulation”的文章，提出在具有时空相位调制的超薄超表面上实现非互易光传播的新方法。研究人员在实验上通过附加超快时间相位调制证实了该动态超表面设计。他们结合两个相干波的外差干涉产生的多太赫兹时变调制，将动态相变引入超表面。这种方法为制造紧凑、可集成的非互易光学元件提供了一种潜在的思路。该研究成果于12月发表在《Light: Science & Applications》期刊上。

研究背景

光的传播是互易的，即光在一个方向上的传播轨迹与相反方向上的传播轨迹相同。在需要非对称光流的光学系统中，打破互易性是很重要的。打破互易性可以使光只在一个方向传播。支持这种单向光流的光学元件，例如隔离器和循环器，是现代激光和通信系统中不可缺少的构件。然而，目前光学非互易性几乎完全是通过磁光材料实现的，磁光材料与现代微型化光子系统是不相容的。基于磁光效应的非互易性光学元件的设备体积庞大，难以集成。在许多光学应用中，实现无磁的非互易光传输是非常必要的。此外，亚波长相互作用长度和大于THz带宽的超快调制频率的非互易性是一个技术难题，迄今为止还未实现。

创新研究

本文首次提出用一种新型光学超表面在光学频率上实现自由空间中光的非互易传播。这是一个具有可控超快时变特性的光学超表面，它能够在没有大体积磁铁的情况下，打破光学互易性。该新型超表面由银色反光板和在近红外波长约860nm处有大非线性克尔系数的块状硅纳米天线组成。研究人员利用频率间隔较近的两条激光线之间的外差干涉，实现了约2.8THz大的时间调制频率的超快时空相位调制。这种动态调制技术在空间和时间调制频率方面表现出极大的灵活性。研究人员在实验中实现在150nm亚波长相互作用长度下，约5.77THz宽带内光的完全不对称反射。此外，文中提出利用由超表面几何提供的单向动量传递，可以通过设计一个不希望的输出状态位于禁止区域，即非传播区域，自由地控制选择性光子转换。这种方法在控制光的动量和能量空间方面表现出良好的灵活性。它将为探索由时变材料特性产生的有趣物理现象提供一个新的平台，并将为可伸缩、可集成、无磁互易器件的发展开辟一个新的范式。