南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院教授李华楠、许京军团队围绕光学声子极化激元（纵向）和非均匀平面波进行了深入研究，在折射率弱调制条件下提出了有效打开光子时间晶体动量带隙的新方法。在研究光学声子极化激元时，该团队与以色列理工学院的Boris Shapiro教授合作发现，在时间切换的洛伦兹介质中，一个静止电荷能够激发出纵向模式。此外，由于该纵向模式的色散关系不依赖于波矢，这一特性使得基于洛伦兹介质的PTCs能在极小的相对折射率调制深度下为此模式建立无限大的动量带隙[Phys. Rev. B (Editors' Suggestion, Letter) 110, L100306 (2024)]。
“ 如何通过非均匀平面波形成动量带隙？”在这项研究中，研究人员聚焦于由双轴各向异性晶体支持的两种非均匀平面波：倏逝波和“幽灵”波 (ghost waves)。这两种波可沿双轴各向异性晶体表面传播，其在垂直传播方向上的波矢分量分别为纯虚数和复数。因此，倏逝波的振幅随着距离界面的增加而指数衰减，而“幽灵”波则兼具传播波的相位振荡特性和倏逝波的振幅指数衰减特性。研究团队通过周期性地在双轴各向异性与各向同性之间切换晶体对称性，构建了双轴各向异性光子时间晶体 (Biaxial Anisotropic Photonic Time Crystals, 简称为B-APTCs), 并基于此研究了倏逝波和“幽灵”波的动量带隙。值得一提的是，该研究团队此前还发现，各向异性光子时间晶体能够驱使嵌入其中的静止电荷辐射，并通过操控其带隙结构，实现了一种可调谐的奇特定向激光机制[ Phys. Rev. Lett. 130, 093803 (2023)]。
经研究发现，倏逝波在动量空间中能同时形成动量带和带隙。然而，与之不同的是，“幽灵”波仅形成动量带隙。特别地，在极小的调制深度下，利用“幽灵”波可以打开一个宽动量带隙。借助这些动量带隙，倏逝波和“幽灵”波可以被指数放大，或通过衰减模式被选择性地减弱。此外，与倏逝波不同，“幽灵”波通过利用动量带隙，在单侧入射情况下能实现时间折射波的强度远大于时间反射波。这一现象显著不同于传播波在PTCs中由于能流守恒而导致时间折射波和时间反射波平衡放大的效应。这项工作通过将非均匀平面波与时变系统结合，极大地丰富了四维光学的研究内容，并展示了其在表面波操控领域拓展的巨大潜力。同时，这项研究也为基于非线性调制方法实现PTCs以及在光频段观测动量带隙效应提供了重要的指导意义。
图：(a) B-APTCs结构示意图；(b) B-APTCs能带结构；(c)传播波、倏逝波和“幽灵”波在动量带隙中的最大放大强度与折射率调制深度的关系
该研究成果以“双轴各向异性光子时间晶体中的非均匀波动量带隙”（Non-uniform wave momentum bandgap in biaxial anisotropic photonic time crystals）为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，南开大学为唯一完成单位和通讯单位，南开大学博士后董俊华、博士生张斯豪为论文共同第一作者，南开大学教授李华楠、许京军为论文共同通讯作者，南开大学博士生何欢也参与了这项工作。相关工作得到国家自然科学基金委、科技部、中央高校基础研究经费等的支持。
光子时间晶体（Photonic Time Crystals，简称为PTCs）是通过对空间均匀介质的折射率进行周期性时间调制而产生。在PTCs中，波的传播遵循动量守恒，由此产生的时间折射波和反射波相互干涉，在动量空间中形成带隙结构。与传统的光参量放大不同，动量带隙支持的非共振光放大效应不依赖于相位匹配，这一独特机制为激光及其他光与物质相互作用的研究开辟了新的可能性。在光学中，形成动量带隙通常需要介质的折射率发生快速且显著的变化。尽管传统的基于非线性机制的折射率调制方法可以实现超快的调制速度，但它们往往难以达到较大的调制深度。因此，动量带隙效应在光学实验中的观测仍然是一个较大的挑战。
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