光的传播通常是互换的，这意味着光在一个方向上传播的轨迹，与在相反方向上传播光的轨迹相同。破坏互易性可以使光只向一个方向传播。支持这种单向光流的光学部件，例如隔离器和环行器，是许多现代激光和通信系统中不可或缺的构件。目前几乎完全基于磁光效应，使得设备体积庞大，难以集成。因此，在许多光学应用中实现非互易光传播的无磁路径需求量很大，现在科学家们开发了一种新型的光学亚表面
它对反射光进行空间和时间上的相位调制，从而导致光的前向和后向传播路径不同。首次利用超薄元件实验实现了光在自由空间中的非互易传输。宾夕法尼亚州立大学电气工程系查尔斯·H·费特助理教授倪兴杰(音译)说：这是第一个具有可控超快时变特性的光学准表面，能够在没有巨大磁铁的情况下打破光学互易性。这项研究结果发表在《光：科学与应用》期刊上。超薄的亚表面由一个银背反射板组成，它支撑着块状的硅纳米天线。
在近红外波长约860 nm处具有较大的非线性克尔指数。利用频率相近的两条激光线之间的外差干涉，在纳米天线上产生了高效的行波折射率调制，从而产生了超快的时空相位调制，其时间调制频率达到了前所未有的2.8THz。这种动态调制技术在调谐空间和时间调制频率方面表现出极大的灵活性。在150 nm的亚波长相互作用范围内，实验实现了前向和后向光传输的完全不对称反射，带宽约为5.77THz。由时空亚表面反射光获得由空间相位梯度引起的动量漂移以及由时间调制引起的频移。
它在前向反射和后向反射之间表现出不对称的光子转换。此外，通过利用亚表面几何提供的单向动量转移，可以通过设计一个不想要的输出态来自由地控制选择性光子转换，该输出态位于禁止区域，即非传播区。这种方法在控制动量和能量空间中的光方面，表现出极好的灵活性。它将为探索由随时间变化的材料性质，而产生的有趣物理提供一个新平台，并将在开发可扩展、可集成、无磁铁的非互易器件方面打开一个新范式。
创造具有时变特性的材料，对于打破对波传播施加基本限制的互易性至关重要。然而，在光子系统中实现高效、超快的时间调制非常具有挑战性。新研究利用超薄非线性变形表面提供的空间和时间相位操作，实验演示了波长在860 nm附近的非互易光反射。亚表面在非线性克尔结构块上进行行波调制，产生空间位相梯度和多太赫兹时间位相抖动，导致动量空间和能量空间发生单向光子跃迁。新方法突出了制造小型化和可集成非互易光学元件的潜在手段。
博科园｜研究/来自：中国科学院
参考期刊《光：科学与应用》
DOI: 10.1038/s41377-019-0225-z
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