撰稿|由课题组供稿
近日，苏州大学高东梁课题组、苏州城市学院高雷课题组联合南京航空航天大学胡昊课题组通过构建时空超材料，在具有移动边界的系统中实现了时空无反射和频率的灵活转换。相关工作以“Antireflection Spatiotemporal Metamaterials”为题发表于期刊《Laser & Photonics Reviews》上。苏州大学物理科学与技术学院研究生余尤秀为论文第一作者。通讯作者为苏州大学高东梁副教授和南京航空航天大学胡昊研究员，及苏州城市学院副校长高雷教授。该工作被选为《Laser & Photonics Reviews》的当期封面：
时空超材料是材料特性在空间和时间上同时发生变化的时空人造超材料。早期研究的人造超材料大多是静止的，即空间超材料，如超材料、光子晶体和拓扑结构。由于其具备对电磁波、声波和扩散场调控的超凡能力，在光谱学、探测器、激光器和量子信息处理等方面有各种实际的应用。近年来，参数时间被引入材料系统而提出了时空超材料，它可以克服空间超材料的约束，如能量守恒和Kramers-Kronig关系，从而呈现出超越传统物理学的奇妙现象，如无磁非互易性、真空中的切伦科夫辐射、菲涅尔牵引和参数放大。在时变介质方面的理论突破促进了它们在传输线、水面波和超表面的实验实现。人造超材料的迅速发展使经典系统中的物理概念在时变和时空超材料得到了延伸。传统消除界面反射的技术，如布儒斯特效应和材料涂层已被广泛应用到各种器件设计中，但是如何消失时空超材料界面上的反射仍然是一个巨大的挑战。
为了解决时空界面上出现的反射问题，研究团队在时空系统中提出了一种时空超材料，即广义四分之一波长阻抗变换器（图1）。
图1. 波在亚光速界面 ((a), (b)) 和超光速界面((c), (d)) 中的散射情况示意图。灰色区域为广义四分之一波长阻抗转换器。(e)动态界面介质中的频率跃迁示意图。
具体而言，当时空超材料的特性和厚度满足一定条件时，波将被完全抑制（图2）。这种现象与空间四分之一波长阻抗变换器非常相似。由于与空间对应物相同，研究团队将这样一个具有特定折射率和时空厚度的时空超材料称为广义四分之一波长阻抗变换器。在亚光速移动界面或超光速移动界面上，相对普通情况，加了时空四分之一波长阻抗变换器后，反射波在相应区域明显是被完全抑制的（图3，图4a-d）。为了进一步观察时空四分之一波长阻抗变换器对散射波振幅和频率的影响，我们利用时域有限差分法对时域场分布进行傅里叶变换，绘制了倒易空间中的场强分布（图4e-h）。我们发现在实现时空无反射的同时，相对入射波频率，散射波的频率可以发生上移或下移。这与纯空间（时间）超材料的频率转换截然不同，即由于时间（空间）的平移对称性，光在纯空间（时间）超材料中的散射必须遵循能量（动量）守恒，很难实现频率的跃迁。基于传统非线性材料的频率转换，其效率通常易受到环境变化的影响，如温度振荡，但在研究团队提出的方法中，由于时空调制会提供能量和动量补偿，频率（或波矢）转换的实现是比较稳定的。
图2. 界面调制速度和时空超材料厚度与反射系数的关系图。(a)和(c)为亚光速情况，(b)和(d)为超光速情况。
为了证明时空四分之一波长阻抗变换器的实验可行性，研究团队在非线性介质（如ITO）中进行了实验模拟。不论考虑的是平滑调制折射率的情况还是更现实的情况，由于克尔效应，该体系在泵浦光的照射下都可以产生合适的时空板而实现时空无反射（图5）。值得注意的是，当泵浦光相对ITO以一定角度斜入射时，动态界面可以实现超光速运动。这里给出的模拟虽然只是概念上的演示，但本文提出的时空超材料也可以在其它经典波的平台上实现，如水面波，弹性波和声波。具体而言，当研究的波为水面波、弹性波和声波时，调制材料特性的驱动信号可以是接替调制的电压、开关控制的电容阵列和可编程电路。
图3. 时空四分之一波长阻抗变换器对平面波激发的场分布影响图。(a)(b) 亚光速情况下，未加和加时空四分之一波长阻抗变换器的场分布图；(c) 固定时间 ((a)(b)中黑色虚线)下的场分布曲线图；(d-f) 对应(a-c)的超光速情况下的场分布图。
图4. 时空四分之一波长阻抗变换器对窄脉冲激发的场分布影响图。
图5. 时空四分之一波长阻抗变换器在非线性介质上的实现。
该工作表明，四分之一波长阻抗变换器的概念可以扩展到时空超材料。这样的扩展不仅可以解决时空反射问题，还为频率和动量转换提供了新的思路。这里频率转换可以通过调整界面速度或信号的入射频率实现连续频率转换。本文提出的调控可以提高束缚和自由电子系统中光-物质相互作用的可控性，为未来设计新型纳米光子设备提供了新的机会。团队的研究结果可以进一步推广到变速时空超材料中，同时也可以应用于其他物理体系，如声波、弹性波和水面波。这项工作得到了国家自然科学基金，江苏省自然科学基金等的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202370045
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
