Непрерывное суперсимметричное преобразование одновременно и индивидуально предписывается нескольким оптическим состояниям (обозначенным цветами: синим, красным и зеленым) для формирования мод и маршрутизации в метаматериале с индексом градиента. На правой панели представлены профили поля интенсивности отдельных оптических состояний после трансформации. Предоставлено: Jieun Yim и др.

Трансформационная оптика сформулировала универсальную основу для формирования потока света и изменения его пространственных характеристик по желанию. Преобразование координат часто приводит к экстремальным параметрам материала, недостижимым даже для метаматериалов.

В новой статье, опубликованной в eLight, группа ученых во главе с профессором Лян Фенгом из Пенсильванского университета разработала новый чип, способный передавать различные оптические состояния для переключения световых потоков. В их статье, озаглавленной «Широкополосное непрерывное суперсимметричное преобразование: новая парадигма трансформационной оптики», делается попытка предоставить адаптируемую стратегию для укрощения потока света.

Попытки искривления света по требованию и произвольного преобразования его пространственных характеристик коренятся в основах электромагнетизма. Форма-инвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований координат привела к формулировке оптики преобразований. Их эквивалентность позволяет переставлять электромагнитные поля в заданной системе координат. Это оставило открытые возможности для ряда интригующих функций, таких как маскировка невидимости и иллюзорная оптика.

Метаматериалы обладают превосходной гибкостью дизайна и обеспечивают широкий спектр оптических свойств. Экспериментальная реализация трансформационной оптики уже десять лет находится в тупике из-за оптических экстремальных ситуаций и сингулярностей, часто возникающих в результате трансформации. Поэтому необходимы новые схемы трансформационной оптики с широкополосными значениями параметров в достижимых пределах.

Например, было продемонстрировано конформное картирование с пространственно изменяющимся локальным показателем преломления. Этот метод может выполнять преобразование координат с использованием неоднородных наноструктур Si. Это может обеспечить тонкое управление фазовым фронтом для многоцветного коврового покрытия. Этот подход прояснил возможность использования индекса градиента (GRIN) для деформации пространства. Тем не менее парадигматический сдвиг за пределы традиционного преобразования координат также требуется для достижения более богатой функциональности, кроме искривления траекторий.

Здесь исследовательская группа использует подход, отличный от традиционной оптики преобразования: наблюдение за гамильтонианом преобразуемой системы. Инвариантность гамильтониана относительно операции симметрии дает нам представление о том, как система может быть преобразована с сохраняющейся величиной. В частности, суперсимметрия (SUSY) характеризуется вырожденными спектрами собственной энергии между двумя различными гамильтонианами, что облегчает расширенный контроль над пространственными характеристиками света.

Стратегическая связь между оригинальной оптической системой и ее диссипативным суперпартнером привела к появлению интригующих приложений, таких как высокомодовые одномодовые микролазерные массивы и мультиплексирование с разделением мод. Эти предыдущие экспериментальные исследования основаны на решеточных гамильтонианах, которые можно факторизовать с помощью матричной операции. Следовательно, они построили системы, состоящие из множества связанных дискретных элементов, соответствующих связанным волноводам или резонаторам.

Напротив, расширенный метод SUSY, который может генерировать бесконечное количество строго изоспектральных потенциалов, остается экспериментально неисследованным, поскольку он требует принципиально другого подхода для реализации произвольных потенциалов. В то же время его математическая структура идеальна для непрерывного преобразования Гамильтона, чтобы обеспечить отдельный сценарий для оптики преобразования.

Исследовательская группа сообщила о первой экспериментальной демонстрации непрерывного преобразования SUSY путем разработки нового метаматериала GRIN на платформе Si. Идея состоит в том, чтобы создать метаматериал, который может эмулировать произвольные потенциалы для достижения улучшенного управления светом путем преобразования оптических сред в условиях суперсимметрии.

Они использовали синергию суперсимметрии и метаматериала для разработки пространственно изменяющейся диэлектрической проницаемости. Он представлял собой двумерную карту, на которой произвольные преобразования предписаны одновременно нескольким оптическим состояниям для маршрутизации, переключения и формирования пространственной моды, при строгом сохранении исходных констант распространения. Их результат показал широкополосную оптику с непрерывным преобразованием SUSY. Взаимодействие суперсимметрии и метаматериала, продемонстрированное в этом исследовании, осветило новый путь к полному использованию пространственных степеней свободы чипа для универсальных фотонных функций.

Подход группы к непрерывному преобразованию SUSY можно масштабировать до большего числа собственных состояний и свободных параметров. Он применяется к более сложному распределению индексов, создавая идеальную платформу для пространственного мультиплексирования на кристалле в информационных технологиях. Кроме того, дальнейшее расширение преобразования SUSY в более высокие измерения может обеспечить стратегию проектирования, позволяющую использовать весь потенциал метаматериалов в трехмерном пространстве.