Lichtvoortplanting is meestal wederkerig, wat betekent dat de baan van licht dat in de ene richting reist identiek is aan die van licht dat in de tegenovergestelde richting reist. Door wederkerigheid te verbreken, kan licht zich slechts in één richting voortplanten. Optische componenten die een dergelijke unidirectionele lichtstroom ondersteunen, bijvoorbeeld isolatoren en circulatiepompen, zijn onmisbare bouwstenen in veel moderne laser- en communicatiesystemen. Ze zijn momenteel bijna uitsluitend gebaseerd op het magneto-optische effect, waardoor de apparaten omvangrijk en moeilijk te integreren zijn. Er is daarom veel vraag naar een magnetisch-vrije route om niet-reciproke lichtvoortplanting in veel optische toepassingen te bereiken.

Onlangs, wetenschappers ontwikkelden een nieuw type optisch meta-oppervlak waarmee fasemodulatie in zowel ruimte als tijd wordt opgelegd aan het gereflecteerde licht, wat leidt tot verschillende paden voor de voorwaartse en achterwaartse lichtvoortplanting. Voor de eerste keer, niet-reciproke lichtvoortplanting in de vrije ruimte werd experimenteel gerealiseerd bij optische frequenties met een ultradunne component.

"Dit is het eerste optische meta-oppervlak met controleerbare ultrasnelle tijdvariërende eigenschappen die optische wederkerigheid kan verbreken zonder een omvangrijke magneet, " zei Xingjie Ni, de Charles H. Fetter-assistent-professor in de afdeling Elektrotechniek aan de Pennsylvania State University. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Het ultradunne meta-oppervlak bestaat uit een zilveren achterreflectorplaat die blokvormige, silicium nanoantennes met een grote niet-lineaire Kerr-index bij nabij-infrarode golflengten rond 860 nm. Heterodyne-interferentie tussen twee laserlijnen die qua frequentie dicht bij elkaar liggen, werd gebruikt om efficiënte brekingsindexmodulatie met lopende golven op de nanoantennes te creëren, wat leidt tot ultrasnelle ruimte-tijd fasemodulatie met een ongekend grote temporele modulatiefrequentie van ongeveer 2,8 THz. Deze dynamische modulatietechniek vertoont een grote flexibiliteit bij het afstemmen van zowel ruimtelijke als temporele modulatiefrequenties. Volledig asymmetrische reflecties in voorwaartse en achterwaartse lichtvoortplanting werden experimenteel bereikt met een brede bandbreedte rond 5.77 THz binnen een subgolflengte-interactielengte van 150 nm.

Licht dat wordt gereflecteerd door het ruimte-tijdmeta-oppervlak krijgt een momentumverschuiving die wordt veroorzaakt door de ruimtelijke fasegradiënt en een frequentieverschuiving die voortkomt uit de temporele modulatie. Het vertoont asymmetrische fotonische conversies tussen voorwaartse en achterwaartse reflecties. In aanvulling, door gebruik te maken van unidirectionele impulsoverdracht die wordt geboden door de geometrie van het metaoppervlak, selectieve fotonische conversies kunnen vrij worden gecontroleerd door een ongewenste uitgangstoestand te ontwerpen die in het verbodene ligt, d.w.z. niet-propagatief, regio.

Deze benadering vertoont een uitstekende flexibiliteit bij het regelen van licht, zowel in de momentum- als in de energieruimte. Het zal een nieuw platform bieden voor het verkennen van interessante fysica die voortkomt uit tijdafhankelijke materiaaleigenschappen en zal een nieuw paradigma openen in de ontwikkeling van schaalbare, integreerbaar, magneetvrije niet-wederkerige apparaten.