具有时空相位调制的超表面展示了不可逆的光反射

宾夕法尼亚州立大学的科学家开发了一种新型的光学超表面，该表面使得光仅在一个方向上反射。利用超薄非线性超颖表面提供的空间和时间相位控制，科学家们通过实验证明了在860 nm左右波长下不可逆的光反射。新的超表面可以推动可扩展、无磁性、不可逆设备的开发，这些设备可以与其他光学组件集成在一起。支持光单向流动的光学设备（例如隔离器和循环器）目前几乎完全基于磁光效应，设备体积庞大且难以集成。倪兴杰教授说：“这是第一个具有可控的超快时变特性的光学超表面，能够在没有笨重磁铁的情况下打破光学互易性。”

超薄超颖表面由一块银背反射板组成，该板支撑着块状硅纳米天线，在近红外（NIR）波长处具有较大的非线性Kerr指数。研究人员利用在频率上紧密间隔的两条激光线之间的外差干涉，在纳米天线上创建有效的行波折射率调制，从而实现了具有约2.8 THz时间调制频率的超快时空相位调制。

示意图显示了时空相位调制超表面的概念，该表面由以反射模式工作的谐振介电纳米天线组成。正弦形式的行进相位调制沿水平方向叠加在设计的相位梯度上。由于动态相位调制的参量过程，入射到频率为ω超表面的光被转换为频率为ω–Δω的反射光束，而频率为ω–Δω的反向传播光束被转换为ω–2Δω而不是ω ，导致不可逆的效果。

动态调制技术在调整空间和时间调制频率方面显示出灵活性。在150 nm的亚波长相互作用长度内，以大约5.77 THz的带宽通过实验实现了向前和向后光传播中的完全不对称反射。由时空超表面反射的光获得由空间相位梯度引起的动量偏移以及从时间调制上升的频率偏移。光在正向反射和反向反射之间表现出不对称的光子转换。通过利用超表面几何学提供的单向动量传递，研究人员发现，可以通过将非期望的输出状态设计为位于非传播区域来自由地控制选择性光子转换。

研究人员说，他们的方法在控制动量和能量空间中光的方面显示出出色的灵活性，并且可以提供一个新平台来探索随时间变化材料特性的物理原理。在亚波长范围内实现了光学不可逆性，使得该方法可能与集成的纳米光子和量子光学系统兼容。