Блог

Jul 03, 2023

Винт Архимеда для света

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2523 (2022) Цитировать эту статью 4071 Доступов 12 Цитирований 3 Подробности об альтернативных метриках Исправление издателя к этой статье было опубликовано 3 августа

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2523 (2022) Цитировать эту статью

4071 Доступов

12 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Исправление издателя к этой статье было опубликовано 3 августа 2022 г.

Эта статья обновлена

Винт Архимеда захватывает воду, питая ее энергией, поднимая ее на более высокий уровень. Мы представляем первый экземпляр оптического винта Архимеда и демонстрируем, как эта система способна захватывать свет, перетаскивать его и усиливать. Мы представляем новые точные аналитические решения уравнений Максвелла для широкого семейства киральных пространственно-временных сред и показываем их потенциал для достижения кирально селективной амплификации в пределах широко настраиваемых фаз с нарушенной четностью и временем. Наша работа, которую можно легко реализовать с помощью экспериментов накачки с пучками с круговой поляризацией, открывает новое направление в физике изменяющихся во времени сред путем объединения растущей области метаматериалов пространства-времени и киральных систем и предлагает новую площадка для топологической и неэрмитовой фотоники с потенциальным применением в киральной спектроскопии и зондировании.

Фундаментальные аспекты волновых взаимодействий в нестационарных системах недавно привлекли новый интерес благодаря открытию сверхтонких и сильно нелинейных материалов. Освободившись от таких ограничений, как взаимность и сохранение энергии, эти системы могут обеспечить новое и экзотическое поведение волн. В этой работе мы открываем новое направление в развивающейся области метаматериалов пространства-времени, впервые объединяя его с уже существующей областью киральных систем, реализуя электромагнитный аналог знаменитого винта Архимеда для жидкостей.

Значимость изменяющихся во времени сред для манипулирования волнами выросла из нескольких предложений на фоне десятилетних поисков достижения безмагнитной невзаимности как в фотонике1,2,3, так и в механических волнах4,5. Временное структурирование материи открывает несколько новых возможностей для управления волнами: периодические модуляции материальных параметров могут позволить создавать топологически нетривиальные фазы6, а также топологические изоляторы Флоке7 и топологические изоляторы с синтетическими частотными размерностями8. Кроме того, соответствующая настройка временной зависимости реактивных элементов может обеспечить произвольное накопление энергии9, тогда как введение модулированных во времени неэрмитовых элементов может привести к невзаимному управлению модами и усилению10, а также к сокрытию событий и идеальному поглощению11, и взаимодействие поверхностных волн на пространственно плоских границах раздела12. В непериодических системах резкое переключение является ключом к новым направлениям, таким как обращение времени13, рефракция времени14 и маршрутизация волн, вызванная анизотропией15, а также преобразование частоты16,17,18, расширение полосы пропускания19 и локализация Андерсона20.

Более того, благодаря сочетанию пространственных и временных степеней свободы метаматериалы пространства-времени, параметры которых модулируются по типу бегущей волны21,22,23,24,25, недавно приобрели новый импульс как по фундаментальным причинам, так и по фундаментальным причинам. они позволяют имитировать и обобщать физическое движение за пределами обычных релятивистских ограничений, что приводит к оптическому торможению26, локализации27 и новым механизмам усиления28,29, а также для практических приложений, таких как генерация гармоник30, управление лучом31 и объединение мощности из нескольких источников32. Успешные эксперименты с пространственно-временной модуляцией включают работы в акустике5,7,33 и упругости34, микроволнах3,30, в инфракрасном диапазоне35 и даже в диффузионных системах36, а недавно они начали приближаться к оптической области37 благодаря внедрению новых сильно нелинейных материалов, таких как как ITO38 и AZO39. Наконец, недавно были разработаны схемы гомогенизации как для временных40,41, так и для пространственно-временных42 метаматериалов.

Давно устоявшейся, но все еще широко распространенной междисциплинарной областью исследований являются исследования киральных систем (заметим, что термин «хиральный» также используется для обозначения среды с бианизотропной связью. Здесь, однако, мы имеем в виду только ее спиральный характер, и связанные с ним свойства кругового дихроизма). Благодаря своим важнейшим технологическим применениям, от технологий отображения до спектроскопии и биосенсорства, математическое изучение киральных электромагнитных систем насчитывает несколько десятилетий43, а экспериментальные наблюдения оптической активности датируются гораздо более ранними наблюдениями Био и Пастера в 19 веке44. . Теории киральных сред были успешно применены для изучения холестерических жидких кристаллов45, а также различных природных структур46, а с момента появления метаматериалов - для отрицательного преломления47,48,49, широкополосной и повышенной оптической активности50, асимметричного пропускания51, 52,53 и, совсем недавно, топология54.