Un'illustrazione che mostra il concetto di una metasuperficie modulata in fase spazio-temporale costituita da nanoantenne dielettriche risonanti operanti in modalità di riflessione. Una modulazione di fase mobile in forma sinusoidale è sovrapposta al gradiente di fase progettato lungo la direzione orizzontale. La luce che colpisce la metasuperficie con frequenza viene convertita in un raggio riflettente con frequenza ω-Δω a causa del processo parametrico derivante dalla modulazione di fase dinamica, mentre il raggio di retropropagazione con frequenza ω-Δω viene convertito in ω -2Δω invece di ω, con conseguente effetto non reciproco. Credito:di Xuexue Guo, Yimin Ding, Yao Duan, e Xingjie Ni
La propagazione della luce è solitamente reciproca, il che significa che la traiettoria della luce che viaggia in una direzione è identica a quella della luce che viaggia nella direzione opposta. La rottura della reciprocità può far propagare la luce solo in una direzione. Componenti ottici che supportano tale flusso di luce unidirezionale, ad esempio isolatori e circolatori, sono elementi costitutivi indispensabili in molti moderni sistemi laser e di comunicazione. Attualmente si basano quasi esclusivamente sull'effetto magneto-ottico, rendendo i dispositivi ingombranti e di difficile integrazione. Un percorso privo di magneti per ottenere una propagazione della luce non reciproca in molte applicazioni ottiche è quindi molto richiesto.
Recentemente, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo tipo di metasuperficie ottica con la quale alla luce riflessa viene imposta la modulazione di fase sia nello spazio che nel tempo, conducendo a percorsi diversi per la propagazione della luce in avanti e all'indietro. Per la prima volta, la propagazione della luce non reciproca nello spazio libero è stata realizzata sperimentalmente a frequenze ottiche con un componente ultrasottile.
"Questa è la prima metasuperficie ottica con proprietà variabili nel tempo ultraveloci controllabili in grado di rompere la reciprocità ottica senza un magnete ingombrante, " disse Xingjie Ni, il Charles H. Fetter Assistant Professor nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica presso la Pennsylvania State University. I risultati sono stati pubblicati questa settimana in Luce:scienza e applicazioni .
La metasuperficie ultrasottile è costituita da una piastra catarifrangente argentata che sostiene a forma di blocco, nanoantenne in silicio con un grande indice di Kerr non lineare a lunghezze d'onda del vicino infrarosso intorno a 860 nm. L'interferenza eterodina tra due linee laser ravvicinate in frequenza è stata utilizzata per creare un'efficiente modulazione dell'indice di rifrazione dell'onda di viaggio sulle nanoantenne, che porta alla modulazione di fase spazio-temporale ultraveloce con una frequenza di modulazione temporale senza precedenti di circa 2,8 THz. Questa tecnica di modulazione dinamica mostra una grande flessibilità nella sintonizzazione delle frequenze di modulazione sia spaziale che temporale. Riflessioni completamente asimmetriche nelle propagazioni della luce in avanti e all'indietro sono state ottenute sperimentalmente con un'ampia larghezza di banda intorno a 5,77 THz all'interno di una lunghezza di interazione sub-lunghezza d'onda di 150 nm.
La luce riflessa dalla metasuperficie spazio-temporale acquisisce uno spostamento di momento indotto dal gradiente di fase spaziale nonché uno spostamento di frequenza derivante dalla modulazione temporale. Presenta conversioni fotoniche asimmetriche tra riflessioni in avanti e all'indietro. Inoltre, sfruttando il trasferimento di momento unidirezionale fornito dalla geometria della metasuperficie, le conversioni fotoniche selettive possono essere controllate liberamente progettando uno stato di uscita indesiderato per giacere nel proibito, cioè non propagativo, regione.
Questo approccio mostra un'eccellente flessibilità nel controllo della luce sia nello spazio di quantità di moto che di energia. Fornirà una nuova piattaforma per esplorare la fisica interessante derivante dalle proprietà dei materiali dipendenti dal tempo e aprirà un nuovo paradigma nello sviluppo di scalabili, integrabile, dispositivi non reciproci privi di magneti.
