「研究」Floquet物质与超材料交汇处的机会之窗

「研究」Floquet物质与超材料交汇处的机会之窗


超材料 - 具有定制亚波长结构的人造介质 - 现在已经涵盖了自然界中无法获得的广泛新颖特性。这个研究领域已经延伸到不同的波浪平台,导致发现和展示了丰富的奇异波浪现象。最近,超材料概念已经扩展到时间域,为全新的波控制概念铺平了道路,例如非相对传播,时间反转,新形式的光学增益和阻力。

同时,设计物质的概念也激发了凝聚态物理学的重大研究工作,拓宽了已知物质相位的视野。特别令人感兴趣的是Floquet物质中最近的活动,其特征在于对系统中电子所经历的能量景观施加周期性调制,例如通过强光脉冲,从而显着改变其稳态动力学。

eLight上发表的一篇新的Perspective论文中,由纽约城市大学(CUNY)的Andrea Alù教授领导的一组科学家指出了Floquet物质和超材料交汇处提供的机会之窗。他们的视角文件强调了他们的协同作用所带来的令人兴奋的机会。

Floquet物理学最近发现的一个沃土的领域是拓扑绝缘体,拓扑绝缘体是一种材料,其承载波不受材料中杂质或无序的散射,其发现导致了2016年诺贝尔物理学奖。静态拓扑绝缘体通常从其特定的空间晶体排列或磁场的应用中获取其奇异特性。然而,Floquet系统中的周期性时间调制也可以产生合成的有效磁场,这不是电子所独有的,因此可以实现电磁波(光子),固体材料或空气(声子)中的弹性振动,甚至水波,它们通常不会受到物理磁场的影响。

Floquet系统的光学实现传统上是通过用空间方向代替时间方向来实现的。然而,根据诺特定理,时间不均匀性本质上意味着系统中存在增益和损失:能量守恒的常见假设通常不适用于这种情况,在这种情况下,能量与施加时间调制的外部机制(其作用类似于能量浴)交换。由于其固有的非平衡动力学,Floquet拓扑系统可以承载其静态对应物中不可用的独特特征。

同时,超材料能够定制极端的波-物质相互作用,时间维度最近成为设计奇异波动力学的新自由度。这包括时间反转(即两种介质之间边界处反射的时间模拟),非互惠性(材料中与方向相关的波传播)和许多其他效应。重要的是,超材料概念现在已经扩展到大多数波领域,提供了一个理想的平台,在这个平台上,起源于Floquet物理学界的概念可能会蓬勃发展,并找到一个丰富的实验游乐场。

然而,超材料概念所包含的波物理学的广度也带来了它自己奇特的复杂性和丰富的物理复杂性。例如,大多数光子系统在响应冲击波时具有固有的时间延迟,这在求解物质波(如电子)的薛定谔方程时通常不存在。这种效应称为色散(例如,它位于棱镜将白光分解成彩虹色的背后),当材料属性以超快的速度及时切换时,为设计新形式的材料响应引入了一个丰富的游乐场。这些超快(比波周期快)材料性质的变化在时间域中模仿了超材料领域中称为元原子的东西:这些是基本的构建块,其个体响应和周期性排列产生了超材料的涌现性质。

因此,定制应用于元结构的特定时间切换为Floquet超材料的设计开辟了一条未开发的途径,其中单个时间元原子的响应与其新兴的Floquet行为之间的协同作用可以用于设计全新的波物质相互作用形式。因此,这种融合有望通过开发新颖的基本概念来丰富这两个领域,并为所有(经典)波浪领域的实验实现提供大量机会。