（文章來源：新華網(wǎng)）

光的傳播通常是互換的，這意味著光在一個方向上傳播的軌跡，與在相反方向上傳播光的軌跡相同。破壞互易性可以使光只向一個方向傳播。支持這種單向光流的光學(xué)部件，例如隔離器和環(huán)行器，是許多現(xiàn)代激光和通信系統(tǒng)中不可或缺的構(gòu)件。目前幾乎完全基于磁光效應(yīng)，使得設(shè)備體積龐大，難以集成。因此，在許多光學(xué)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)非互易光傳播的無磁路徑需求量很大，現(xiàn)在科學(xué)家們開發(fā)了一種新型的光學(xué)亞表面。

它對反射光進(jìn)行空間和時間上的相位調(diào)制，從而導(dǎo)致光的前向和后向傳播路徑不同。首次利用超薄元件實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了光在自由空間中的非互易傳輸。賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程系查爾斯·H·費(fèi)特助理教授倪興杰(音譯)說：這是第一個具有可控超快時變特性的光學(xué)準(zhǔn)表面，能夠在沒有巨大磁鐵的情況下打破光學(xué)互易性。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》期刊上。超薄的亞表面由一個銀背反射板組成，它支撐著塊狀的硅納米天線。

在近紅外波長約860 nm處具有較大的非線性克爾指數(shù)。利用頻率相近的兩條激光線之間的外差干涉，在納米天線上產(chǎn)生了高效的行波折射率調(diào)制，從而產(chǎn)生了超快的時空相位調(diào)制，其時間調(diào)制頻率達(dá)到了前所未有的2.8THz。這種動態(tài)調(diào)制技術(shù)在調(diào)諧空間和時間調(diào)制頻率方面表現(xiàn)出極大的靈活性。在150 nm的亞波長相互作用范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了前向和后向光傳輸?shù)耐耆粚ΨQ反射，帶寬約為5.77THz。由時空亞表面反射光獲得由空間相位梯度引起的動量漂移以及由時間調(diào)制引起的頻移。

它在前向反射和后向反射之間表現(xiàn)出不對稱的光子轉(zhuǎn)換。此外，通過利用亞表面幾何提供的單向動量轉(zhuǎn)移，可以通過設(shè)計一個不想要的輸出態(tài)來自由地控制選擇性光子轉(zhuǎn)換，該輸出態(tài)位于禁止區(qū)域，即非傳播區(qū)。這種方法在控制動量和能量空間中的光方面，表現(xiàn)出極好的靈活性。它將為探索由隨時間變化的材料性質(zhì)，而產(chǎn)生的有趣物理提供一個新平臺，并將在開發(fā)可擴(kuò)展、可集成、無磁鐵的非互易器件方面打開一個新范式。

創(chuàng)造具有時變特性的材料，對于打破對波傳播施加基本限制的互易性至關(guān)重要。然而，在光子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效、超快的時間調(diào)制非常具有挑戰(zhàn)性。新研究利用超薄非線性變形表面提供的空間和時間相位操作，實(shí)驗(yàn)演示了波長在860nm附近的非互易光反射。亞表面在非線性克爾結(jié)構(gòu)塊上進(jìn)行行波調(diào)制，產(chǎn)生空間位相梯度和多太赫茲時間位相抖動，導(dǎo)致動量空間和能量空間發(fā)生單向光子躍遷。新方法突出了制造小型化和可集成非互易光學(xué)元件的潛在手段。

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