Une illustration montrant le concept d'une métasurface modulée en phase spatio-temporelle constituée de nanoantennes diélectriques résonantes fonctionnant en mode réflexion. Une modulation de phase progressive sous forme sinusoïdale est superposée au gradient de phase conçu le long de la direction horizontale. La lumière frappant la métasurface avec la fréquence ω est convertie en un faisceau réfléchissant avec la fréquence ω-Δω en raison du processus paramétrique résultant de la modulation de phase dynamique, tandis que le faisceau rétropropagatif de fréquence ω-Δω est converti en ω -2Δω au lieu de ω, entraînant un effet non réciproque. Crédit :par Xuexue Guo, Yimin Ding, Yao Duan, et Xingjie Ni
La propagation de la lumière est généralement réciproque, ce qui signifie que la trajectoire de la lumière se déplaçant dans une direction est identique à celle de la lumière se déplaçant dans la direction opposée. Briser la réciprocité peut faire que la lumière ne se propage que dans une seule direction. Composants optiques qui prennent en charge un tel flux de lumière unidirectionnel, par exemple des isolateurs et des circulateurs, sont des blocs de construction indispensables dans de nombreux systèmes laser et de communication modernes. Ils reposent actuellement presque exclusivement sur l'effet magnéto-optique, rendant les appareils encombrants et difficiles à intégrer. Une voie sans aimant pour obtenir une propagation de la lumière non réciproque dans de nombreuses applications optiques est donc très demandée.
Récemment, les scientifiques ont développé un nouveau type de métasurface optique avec laquelle une modulation de phase dans l'espace et dans le temps est imposée à la lumière réfléchie, conduisant à des chemins différents pour la propagation de la lumière vers l'avant et vers l'arrière. Pour la première fois, la propagation non réciproque de la lumière dans l'espace libre a été réalisée expérimentalement à des fréquences optiques avec une composante ultrafine.
"Il s'agit de la première métasurface optique avec des propriétés de variation dans le temps ultrarapides contrôlables qui est capable de rompre la réciprocité optique sans aimant encombrant, " dit Xingjie Ni, le professeur adjoint Charles H. Fetter au département de génie électrique de la Pennsylvania State University. Les résultats ont été publiés cette semaine dans Lumière :science et applications .
La métasurface ultrafine est constituée d'une plaque réflectrice arrière en argent supportant la forme d'un bloc, nanoantennes en silicium avec un grand indice Kerr non linéaire aux longueurs d'onde du proche infrarouge autour de 860 nm. Une interférence hétérodyne entre deux lignes laser étroitement espacées en fréquence a été utilisée pour créer une modulation efficace de l'indice de réfraction à ondes progressives sur les nanoantennes, ce qui conduit à une modulation de phase spatio-temporelle ultrarapide avec une fréquence de modulation temporelle sans précédent d'environ 2,8 THz. Cette technique de modulation dynamique présente une grande flexibilité dans le réglage des fréquences de modulation à la fois spatiales et temporelles. Des réflexions complètement asymétriques dans les propagations lumineuses vers l'avant et vers l'arrière ont été obtenues expérimentalement avec une large bande passante autour de 5,77 THz dans une longueur d'interaction sous-longueur d'onde de 150 nm.
La lumière réfléchie par la métasurface spatio-temporelle acquiert un décalage de quantité de mouvement induit par le gradient spatial de phase ainsi qu'un décalage de fréquence résultant de la modulation temporelle. Il présente des conversions photoniques asymétriques entre les réflexions avant et arrière. En outre, en exploitant le transfert de quantité de mouvement unidirectionnel fourni par la géométrie de la métasurface, les conversions photoniques sélectives peuvent être librement contrôlées en concevant un état de sortie indésirable pour se situer dans l'interdit, c'est-à-dire non propagatif, Région.
Cette approche présente une excellente flexibilité dans le contrôle de la lumière à la fois dans l'espace impulsionnel et énergétique. Il fournira une nouvelle plate-forme pour explorer une physique intéressante issue de propriétés matérielles dépendantes du temps et ouvrira un nouveau paradigme dans le développement de solutions évolutives, intégrable, dispositifs non réciproques sans aimant.
