Transformation Optics heeft een veelzijdig raamwerk geformuleerd om de lichtstroom te vormen en de ruimtelijke kenmerken naar believen aan te passen. De coördinatentransformatie levert vaak extreme materiaalparameters op die zelfs met metamaterialen niet haalbaar zijn.

In een nieuw artikel gepubliceerd in eLight , heeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Liang Feng van de Universiteit van Pennsylvania, een nieuwe chip ontwikkeld die verschillende optische toestanden kan overbrengen om lichtstromen te schakelen. Hun paper, getiteld "Breedband continue supersymmetrische transformatie:een nieuw paradigma voor transformatie-optica", probeert een aanpasbare strategie te bieden om de lichtstroom te temmen.

Pogingen om licht op verzoek te buigen en willekeurig de ruimtelijke kenmerken ervan te transformeren, zijn geworteld in de fundamenten van elektromagnetisme. De vorm-invariantie van de vergelijkingen van Maxwell onder coördinaattransformaties leidde tot de formulering van transformatie-optica. Hun equivalentie maakt de herschikking van elektromagnetische velden in een bepaald coördinatensysteem mogelijk. Het heeft wegen opengelaten voor een reeks intrigerende functionaliteiten, zoals onzichtbaarheidsverhulling en illusie-optiek.

Metamaterialen hebben een uitstekende ontwerpflexibiliteit en maken een breed scala aan optische eigenschappen mogelijk. De experimentele realisatie van transformatie-optica bevindt zich al tien jaar in een impasse vanwege optische extremiteit en singulariteit die vaak het gevolg zijn van de transformatie. Daarom zijn nieuwe schema's voor transformatie-optica met breedbandparameterwaarden binnen haalbare limieten essentieel.

Er was bijvoorbeeld conforme mapping met de ruimtelijk variërende lokale brekingsindex aangetoond. Deze techniek kan de coördinatentransformatie uitvoeren met behulp van inhomogene Si-nanostructuren. Het kan delicate fase-frontcontrole opleveren voor veelkleurige tapijtverhulling. Deze benadering verduidelijkte de mogelijkheid om de gradiëntindex (GRIN) te gebruiken om de ruimte te vervormen. Er is echter een paradigmatische verschuiving nodig die verder gaat dan de traditionele coördinatentransformatie om een ​​rijkere functionaliteit te bereiken dan het buigen van de trajecten.

Hier kiest het onderzoeksteam een ​​andere benadering dan conventionele transformatie-optica:het observeren van de Hamiltoniaan van het systeem dat wordt getransformeerd. De invariantie van de Hamiltoniaan onder symmetrie-operatie geeft ons inzicht in hoe een systeem kan worden getransformeerd met een behouden grootheid. Supersymmetrie (SUSY) kenmerkt zich in het bijzonder door de gedegenereerde eigenenergiespectra tussen twee verschillende Hamiltonianen, wat geavanceerde controle van de ruimtelijke kenmerken van licht mogelijk heeft gemaakt.

Strategische koppeling tussen het oorspronkelijke optische systeem en zijn dissipatieve superpartner heeft geleid tot intrigerende toepassingen zoals high-radiance single-mode microlaser-arrays en multiplexing met modusverdeling. Deze eerdere experimentele studies zijn gebaseerd op rooster Hamiltonianen, die kunnen worden ontbonden via matrixbewerking. Daarom hebben ze systemen geconstrueerd die zijn samengesteld uit veel gekoppelde discrete elementen die overeenkomen met gekoppelde golfgeleiders of resonatoren.

Daarentegen is de uitgebreide methode van SUSY die een oneindig aantal strikt isospectrale potentialen kan genereren experimenteel onontgonnen gebleven omdat het een intrinsiek andere benadering vereist om willekeurige potentialen te realiseren. Tegelijkertijd is het wiskundige raamwerk ideaal voor de continue Hamiltoniaanse transformatie om een ​​duidelijk scenario voor transformatie-optica mogelijk te maken.

Het onderzoeksteam rapporteerde de eerste experimentele demonstratie van continue SUSY-transformatie door een nieuw GRIN-metamateriaal op een Si-platform te ontwerpen. Het idee is om een ​​metamateriaal te construeren dat willekeurige potentialen kan emuleren om geavanceerde lichtregeling te bereiken door de optische media onder supersymmetrie te transformeren.

Ze gebruikten de synergie van supersymmetrie en het metamateriaal om ruimtelijk variërende diëlektrische permittiviteit te ontwerpen. Het vormde een tweedimensionale kaart waar willekeurige transformaties gelijktijdig worden voorgeschreven aan meerdere optische toestanden voor routering, schakelen en ruimtelijke modusvorming, terwijl hun oorspronkelijke voortplantingsconstanten strikt behouden blijven. Hun resultaat omvatte breedband continue SUSY-transformatie-optica. Het samenspel van supersymmetrie en een metamateriaal dat in dit onderzoek werd aangetoond, verlichtte een nieuwe weg naar het volledig benutten van de ruimtelijke vrijheidsgraden van een chip voor veelzijdige fotonische functionaliteiten.

De continue SUSY-transformatiebenadering van het team is schaalbaar tot een groter aantal eigentoestanden en vrije parameters. Het is van toepassing op meer gecompliceerde indexdistributie, waardoor een ideaal platform ontstaat voor on-chip space-division multiplexing in informatietechnologieën. Bovendien kan het verder uitbreiden van de SUSY-transformatie naar hogere dimensies een ontwerpstrategie bieden om het volledige potentieel van metamaterialen in de driedimensionale ruimte te benutten. + Verder verkennen

Onzichtbaarheid creëren met supergeleidende materialen