EFRI NewLAW: Non-Reciprocal Wave Propagation Devices by Fermionic Emulation and Exceptional Point Physics

EFRI NewLAW:通过费米子仿真和异常点物理实现非互易波传播装置

基本信息

  • 批准号:
    1741694
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 200万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-09-01 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

No device exists today that efficiently allows light to move forward in one direction, but stops it from moving in reverse. Devices that serve as one-way lanes for light propagation can revolutionize communication system design by adding new functionalities in a compact and more energy-efficient way. Similarly, electronics can be made more energy-efficient by suppressing back scattering. New discoveries in the past decade in the physics of wave propagation in materials have given tantalizing hints as to how one may achieve one-way devices for light and electron waves. Taking these hints towards practical engineering devices, however, requires theoretical design and experimental advances in materials and device fabrication. By bringing together a diverse and multidisciplinary team with the necessary skills, this project aims to develop the fundamental science behind such advances and experimentally demonstrate one-way devices for future information systems. This NewLAW EFRI team will investigate topological, chiral, and non-reciprocal transport of photons, polaritons, plasmons, and electron waves. This will be achieved by using specially designed material systems and device structures that provide non-trivial topological properties for electrons, for photons, and for light-matter hybrids such as non-trivial manifestations of collective plasmons and trion-polaritons. By engineering the interactions between electrons and photons in non-trivial ways, new science and new engineering technologies will be explored. Instead of photons or excitons, trions that are fermions with net charge and spin will be investigated for non-reciprocal light transport in the form of trion-polaritons. Instead of plasmons, chiral plasmons will be used for non-reciprocal transport. As a demonstration of non-reciprocal light transport, a novel optical isolator will be realized that demonstrates simultaneously high linearity, high bandwidth and high dynamic range - characteristics lacking in previous embodiments. The rich physics of non-Hermitian systems will be used to realize novel topologically-enhanced non-reciprocal waveguides. Similar non-Hermitian physics effects in the context of electron waves will be explored for electronic non-reciprocity. In this case, propagation in the evanescent complex momentum domain via electron tunneling will be explored in a device platform in specially designed material heterostructure. The EFRI team will combine theoretical research, with synthesis of new materials, and fabrication of non-reciprocal devices to achieve the above goals. Because the lack of efficient non-reciprocal wave propagation devices currently limits several functionalities in communication systems, the results of this team's research are expected to uncover new physics and engineering possibilities, contributing towards the development of communication systems that significantly affect the movement of information. The realization of the proposed devices requires a unifying theme guided by theoretical design to provide mathematical and physical understanding and guidance, experimental realization of specially designed materials such as 2D crystal heterostructures and III-Nitride semiconductors, nanofabrication of the device structures that assemble these materials in specified geometries, and finally, testing and measurement of the predicted non-reciprocal wave transport. The overarching goals are to advance the understanding of fundamental principles of non-reciprocity in novel electronic and photonic media, and to exploit these principles to realize non-reciprocal devices with superior performance. The EFRI team brings together five investigators with the precise set of skills necessary to achieve these goals.
目前还没有一种设备能够有效地允许光沿一个方向向前移动,但阻止其反向移动。 作为光传播单向通道的设备可以通过以紧凑​​且更节能的方式添加新功能来彻底改变通信系统设计。 同样,通过抑制反向散射,电子产品可以变得更加节能。 过去十年,材料中波传播物理学的新发现为如何实现光波和电子波的单向器件提供了诱人的线索。 然而,将这些提示应用于实际工程设备需要材料和设备制造方面的理论设计和实验进展。 通过汇集一支具有必要技能的多元化、多学科团队,该项目旨在发展这些进步背后的基础科学,并通过实验演示未来信息系统的单向设备。 NewLAW EFRI 团队将研究光子、极化激元、等离子体激元和电子波的拓扑、手性和非互易传输。这将通过使用专门设计的材料系统和器件结构来实现,这些系统和器件结构为电子、光子和光物质混合体提供非平凡的拓扑特性,例如集体等离子体激元和三重子极化子的非平凡表现。通过以非平凡的方式设计电子和光子之间的相互作用,将探索新的科学和新的工程技术。将研究具有净电荷和自旋的费米子三重子,而不是光子或激子,以三重子极化子的形式研究非互易光传输。手性等离激元将代替等离激元用于非互易传输。作为非互易光传输的演示,将实现一种新颖的光学隔离器,其同时演示高线性度、高带宽和高动态范围——先前实施例中缺乏的特性。非厄米系统的丰富物理学将用于实现新型拓扑增强非互易波导。将探索电子非互易性在电子波背景下的类似非厄米物理效应。在这种情况下,将在专门设计的材料异质结构的设备平台中探索通过电子隧道在渐逝复动量域中的传播。 EFRI 团队将理论研究与新材料的合成以及不可逆器件的制造相结合,以实现上述目标。由于目前缺乏有效的不可逆波传播设备限制了通信系统的多种功能,因此该团队的研究结果预计将揭示新的物理和工程可能性,从而为显着影响信息移动的通信系统的发展做出贡献。所提出的器件的实现需要一个以理论设计为指导的统一主题,以提供数学和物理理解和指导,特别设计的材料(例如二维晶体异质结构和III族氮化物半导体)的实验实现,组装这些材料的器件结构的纳米制造。指定的几何形状,最后,测试和测量预测的非互易波传输。总体目标是增进对新型电子和光子介质中非互易性基本原理的理解,并利用这些原理来实现具有卓越性能的非互易性器件。 EFRI 团队汇集了五名研究人员,他们拥有实现这些目标所需的精确技能。

项目成果

期刊论文数量(34)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Wide Bandwidth, Nonmagnetic Linear Optical Isolators based on Frequency Conversion
基于变频的宽带宽、非磁性线性光隔离器
  • DOI:
    10.23919/cleo.2019.8750087
  • 发表时间:
    2019-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Tengfei Li; Kamal Abdelsalam
  • 通讯作者:
    Kamal Abdelsalam
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Dang, Phillip;Rouvimov, Sergei;Xing, Huili Grace;Jena, Debdeep
  • 通讯作者:
    Jena, Debdeep
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  • DOI:
    10.1364/optica.412981
  • 发表时间:
    2020-09-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    J. Khurgin;Y. Sebbag;Eitan Edrei;R. Zektzer;K. Shastri;U. Levy;F. Monticone
  • 通讯作者:
    F. Monticone
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通过掺杂对抗对称性破缺:走向具有对称特性的极性谐振隧道二极管
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2020-03-19
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    J. Encomendero;V. Protasenko;F. Rana;D. Jena;H. Xing
  • 通讯作者:
    H. Xing
Topological Waveguiding near an Exceptional Point: Defect-Immune, Slow-Light, and Loss-Immune Propagation
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Hassani Gangaraj, S. Ali;Monticone, Francesco
  • 通讯作者:
    Monticone, Francesco
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知道了