继去年《科学》杂志发表光子芯片中光的不对称传输的研究成果后，中心陈延峰教授课题组在此研究基础上，在光子芯片和时空对称超构材料的研究中继续深入研究，取得重要进展——在时空对称性相变临界点上实现硅基光子芯片中光的单向无反射传输。该研究成果发表在近期的Nature Materials上（DOI：10.1038/NMAT3495）。 信息技术的发展日新月异，集成电路摩尔定律已逐步逼近物理极限，电子集成电路芯片的量子尺寸限制和功耗问题，已经成为这一领域持续发展的瓶颈。人们希望光子能够成为新的信息载体，光子芯片将成为未来超高速运算的主要信息处理器件。因而光子操纵成为信息技术发展的新追求。

光子晶体、超构材料、金属表面等离激元纳米结构的研究为人们操纵光提供了新的人工微结构材料。而以往的光子晶体、超构材料、金属等离激元光路的研究强调光的有效折射率及其光散射，忽略了材料的损耗以及增益，即折射率的虚部。陈延峰教授课题组的研究工作从整个折射率的复平面出发，设计新型时空超构材料的光学性质，在周期内设计了梯度渐变的复折射率调制，能够精密地控制光波的模式转化和不对称传输。更进一步，关于材料的折射率在复平面中的设计，实际上引入了光子复数势能函数的调制，使得系统哈密顿量演化为非厄米哈密顿量类型的开放量子系统的时空对称性（Parity-time symmetry）及其相关的本征值问题，这对于理解和拓展量子力学的基本假设具有重要的意义。时空对称性及其相变理论是关于开放量子系统的基本问题，在经典光学系统研究这类系统中的量子相变的临界现象也将给经典光学问题带来更丰富的物理效应和现象。

去年《科学》杂志发表了同一个研究团队关于利用时空对称性破缺的临界现象在硅基光子芯片中实现波单向模式转换的工作。在此基础上，最近的研究继续发展基于时空超构材料的单向光传输调控理论，在硅基波导上巧妙地引入实部和虚部的匹配相位调制，实现了光波导中光的完全单向反射。当光从有金属调制结构的一端入射时会发生反射现象，而当光从另外一端入射时，则不会发生反射现象，也就是说，在这一端无法看到内部的结构。

新的结果具有重要意义：一、实验上验证了利用微结构设计实现时间反演和空间宇称破缺的光路，进而利用微加工工艺制备了单向硅基光传输波导，为实现可与CMOS工艺相容的新一代光子器件集成工艺设计制备提供了新的途径。二、以往的关于时空对称性的研究工作，均是在增益损耗系统中实现的，这个工作从理论模型和实验上均证实了，在线性无增益纯损耗系统中也存在可观测的时空对称性临界点现象。三、这个工作拓展了光子晶体及超构材料的研究领域，通过整个折射率复平面的设计调控相应的光散射，为实现光的单向传输、完美相干吸收、相干放大、非互易拉曼信号放大、单向激射等新颖现象提供了有效的研究手段。因此，这个思路提出的新型时空超构材料的设计，将为人工结构材料领域的发展开辟一条新的路径。