Metamaterialen - kunstmatige media met op maat gemaakte subgolflengtestructuren - omvatten nu een breed scala aan nieuwe eigenschappen die in de natuur niet beschikbaar zijn. Dit onderzoeksgebied strekte zich uit over verschillende golfplatforms, wat heeft geleid tot de ontdekking en demonstratie van een schat aan exotische golfverschijnselen. Recentelijk zijn metamateriële concepten uitgebreid naar het temporele domein, wat de weg vrijmaakte voor volledig nieuwe concepten voor golfbeheersing, zoals niet-wederkerige voortplanting, tijdomkering, nieuwe vormen van optische versterking en weerstand.

Ondertussen heeft het concept van designermaterie ook geleid tot aanzienlijke onderzoeksinspanningen in de fysica van de gecondenseerde materie, waardoor de horizon van bekende fasen van materie is verbreed. Van bijzonder belang was de recente activiteit in Floquet-materie, gekenmerkt door periodieke modulaties die worden opgelegd, b.v. via een sterke optische puls op het energielandschap dat de elektronen in een systeem ervaren, waardoor hun stabiele dynamiek drastisch verandert.

In een nieuwe Perspective paper gepubliceerd in eLight , wijst een team van wetenschappers onder leiding van professor Andrea Alù van de City University of New York (CUNY) op de kansen die worden geboden bij de samenvloeiing van Floquet-materie en metamaterialen. Hun Perspective paper belicht de opwindende kansen die voortkomen uit hun synergieën.

Een gebied waar de Floquet-fysica onlangs vruchtbare grond heeft gevonden, is dat van topologische isolatoren, materialen die golven herbergen die immuun zijn voor verstrooiing van onzuiverheden of wanorde in een materiaal, en waarvan de ontdekking leidde tot de 2016 Nobelprijs voor natuurkunde. Statische topologische isolatoren ontlenen hun exotische eigenschappen doorgaans aan hun specifieke ruimtelijke kristallijne rangschikking of aan de toepassing van een magnetisch veld. De periodieke temporele modulatie in een Floquet-systeem kan echter ook een synthetisch effectief magnetisch veld produceren, dat niet uniek is voor elektronen, maar dus kan worden gerealiseerd voor elektromagnetische golven (fotonen), elastische trillingen in een vast materiaal of lucht (fononen), of zelfs watergolven, die normaal gesproken niet de effecten van een fysiek magnetisch veld ervaren.

Optische implementaties van Floquet-systemen worden traditioneel gerealiseerd door de temporele richting te vervangen door een ruimtelijke. Volgens de stelling van Noether impliceren temporele inhomogeniteiten echter intrinsiek de aanwezigheid van winst en verlies in een systeem:de algemene aanname van energiebesparing gaat over het algemeen niet op in een dergelijk scenario, waarbij energie wordt uitgewisseld met het externe mechanisme (dat werkt als een bath) die de tijdmodulatie uitoefent. Vanwege hun intrinsieke niet-evenwichtsdynamiek kunnen Floquet-topologische systemen unieke functies bevatten die niet beschikbaar zijn in hun statische tegenhangers.

Tegelijkertijd maken metamaterialen het mogelijk om extreme golf-materie-interacties op maat te maken, en de temporele dimensie is onlangs naar voren gekomen als een nieuwe mate van vrijheid om exotische golfdynamiek te ontwikkelen. Dit omvatte tijdomkering (namelijk de tijdelijke analoog van reflectie op een grens tussen twee media), niet-wederkerigheid (richtingafhankelijke golfvoortplanting in een materiaal) en vele andere effecten. Belangrijk is dat het metamateriaalconcept nu is uitgebreid naar de meeste golfgebieden en een ideaal platform biedt waar concepten die hun oorsprong vonden in de Floquet-fysicagemeenschap kunnen floreren en een rijke experimentele speelplaats kunnen vinden.

De breedte van de golffysica die wordt omvat door metamateriële concepten brengt echter ook zijn eigen exotische ingewikkeldheden en rijkdom aan fysieke verfijning met zich mee. De meeste fotonische systemen hebben bijvoorbeeld een intrinsieke temporele vertraging in hun reactie op een invallende golf, die typisch afwezig is bij het oplossen van de Schrodinger-vergelijking voor materiegolven zoals elektronen. Dit effect, dispersie genaamd (dat ligt achter de splitsing van wit licht in de regenboogkleuren door bijvoorbeeld een prisma), introduceert een rijke speelplaats voor het ontwerpen van nieuwe vormen van materiaalreacties wanneer de materiaaleigenschappen in de tijd worden veranderd met ultrahoge snelheden. Deze ultrasnelle (sneller dan de golfperiode) veranderingen in materiaaleigenschappen bootsen, in het temporele domein, wat op het gebied van metamaterialen metaatomen worden genoemd na:dit zijn de fundamentele bouwstenen waarvan de individuele respons en periodieke rangschikking aanleiding geven tot de opkomende eigenschappen van een metamateriaal.

Het afstemmen van de specifieke temporele schakeling toegepast op een metastructuur opent dus een onontgonnen weg voor het ontwerp van Floquet-metamaterialen, structuren waar de synergie tussen de respons van enkele tijdelijke metaatomen en hun opkomende Floquet-gedrag kan worden benut voor het ontwerp van volledig nieuwe vormen van golf-materie interacties. Deze samenvloeiing belooft dus beide velden te verrijken met de ontwikkeling van nieuwe fundamentele concepten, evenals een schat aan mogelijkheden voor experimentele implementaties in alle (klassieke) golfgebieden. + Verder verkennen

Nick of time:temporele variatie van licht-materie-interactie verhoogt fotonische metamaterialen