下载客户端

eLight | Floquet 超材料

2022-05-24 11:43

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | 周倩苇、Shixiong Yin

| 导读 |

Floquet 物理在凝聚态物理领域已有悠久历史，主要着眼于时域周期调制下新奇的非平衡物质态（如时间晶体）；而超材料则凭借亚波长的特定空间周期结构，在波动物理的理论研究以及成像、通信、计算等工程应用中大放异彩。近日，纽约城市大学 Andrea Alù 教授团队在 eLight 期刊发表了题为 “Floquet Metamaterials”的综述文章。

该文章立足媒质的时域变化，将 Floquet 物理和超材料两个领域联系起来，着重展望了二者兼容并蓄，为波调控及波—物质相互作用带来的新机遇和广阔前景。

超材料——具有特定亚波长结构的人工媒质，现如今已具有了自然界材料所不具备的广泛的新颖特性。因此，在各种波动体系的研究中都有大量工作以其为平台展示丰富而奇特的物理现象。

近些年来，有关超材料的研究也拓展到了时间域，非互易传播、时间反演、光增益和拖拽等全新的波调控的概念得以被深入探究。与此同时，凝聚态物理领域也有不少研究着眼于“设计”物质，拓展了已知物相的范围。其中尤为有趣的当属 Floquet 物质，其特点是哈密顿量在时域具有周期性；这种周期调制可由光脉冲等手段改变电子的能带结构来实现，因而可以极大地改变物质的稳态特征。

最近，Floquet 物理的相当一部分研究工作很好地扎根于拓扑绝缘体这一科研沃土。拓扑绝缘体可以使波的传播免受媒质中杂质和无序散射的影响，这一发现也获得了 2016 年诺贝尔物理学奖。静态的拓扑绝缘体往往依赖于其特定的空间晶体排列或外加磁场，而 Floquet 系统中周期性的时间调制恰恰能合成有效磁场，且不再局限于电子体系，而可以推广至电磁波（光子）、固体或气体（声子），乃至水波。后述这些体系通常都不受或极不敏感于外加磁场的影响。

Floquet 系统的光学实现传统上是通过用空间维度替换时间维度来实现的。然而，根据诺特定理，时间平移对称性破缺本质上意味着系统中存在增益和损耗（不再满足能量守恒），即系统与施加时域调制的外部机制（其作用类似于一个能量源或负载）有着能量交换。由于其固有的非平衡动力学特性，Floquet 拓扑系统自然也拥有了静态拓扑系统所不具备的新奇特点。

与此同时，超材料的研究实现了许多极端的波—物质相互作用，而时间维度最近也成为了设计新颖波动现象的又一自由度。这其中包括时间反演（类比于波在空间分界面的反射现象）、非互易性（波的传播特性依赖于其传播方向）等众多物理现象。尤为重要的是，超材料的概念已然延拓到了大多数波动体系中，不失为研究 Floquet 物理中的丰富现象的一个理想实验平台。

然而值得注意的是，超材料在波动物理学中的广度也带来了独特的复杂性和挑战。例如，大多数光子系统对入射波的响应具有固有的时延，这在求解诸如电子等物质波的薛定谔方程时通常不存在。这种效应即是大家熟知的色散（如棱镜将白光分成一道彩虹）。当材料特性以超快的速度被调制乃至发生突变时，色散又为 Floquet 超材料的设计提供了新的自由度。而这种超快（小于一个周期）的材料特性变化，又可形成时间域的超构单元；其作为基本单元的响应再经周期性组合后又能涌现更为丰富的物理特性。

总而言之，Floquet 超材料中单个时域超构“原子”的响应与整体的 Floquet 行为的协同作用可以作为调控波—物质相互作用的全新范式。尽管仍有许多未知的挑战， Floquet 物理和超材料的融合定将相得益彰，有望在这两个领域都激发出新的灵感与概念，并为这些新兴概念在经典波体系中的实现提供更多的可能性。