Emanuele Galiffi 是 Simons Society of Fellows 的初级研究员。当您将鹅卵石扔进池塘时，波浪会沿着水面泛起涟漪。它们可能会反弹（反射），改变它们的形状（分散）并相互干扰，然后随着时间的流逝而最终消散。与所有波一样，这些波本质上是由宿主介质（在本例中为水）介导的跨越空间和时间的扰动。虽然这些波是肉眼可见的，但许多类型的波却不是。
在过去的两个世纪里，物理学家已经证明，光和物质一样，表现出波状行为。支撑半导体行为的量子物理学推动了我们当前的数字革命，将电子描述为动态波，而不是点状粒子。类似地，光通信系统（例如，为我们提供极快的互联网连接的光缆）受光的波状行为支配。支配量子力学系统的大部分波物理学在更知名的波现象中找到了类似物，例如我们作为光体验的电磁波、我们称之为地震的地震波和形成海啸的水波。但是关于波浪动力学，我们还有很多不明白的地方。
Simons 初级研究员Emanuele Galiffi是纽约城市大学高级科学研究中心 Andrea Alù 实验室的博士后研究员，研究称为“超材料”的合成和复杂材料。他目前的研究重点是如何利用在此类材料中引起的超快动态调制来设计新的波效应，除其他可能性外，这些效应还可以帮助我们利用电磁频谱中难以到达的部分进行电信，并以全新的方式操纵波方法。
Galiffi 在伦敦帝国理工学院的 John Pendry 教授的团队中获得了博士学位。为了清楚起见，我们的对话已经过编辑。
什么是“超材料”？
当波（例如光波）撞击材料时，它与材料的电子和离子的相互作用控制了整个色谱中有多少光被反射、反射到哪个方向等等。
在传统的、天然存在的材料（例如金、银或硅）中，这主要是因为材料的化学成分、它是由什么原子构成的，以及这些原子是如何排列形成周期性晶体结构的。当光从这些材料反射或传播时，其波长比形成晶体的原子间距长数百倍，因此其与材料的相互作用无法探测任何单个原子或分子。相反，光学反应是集体的，或“紧急的”。
相比之下，超材料不是仅仅依靠化学，而是由纳米结构的周期性排列形成的工程人造材料，通常称为“元原子”，其集体响应可以定制以产生与自然界中发现的波物质相互作用大不相同的波物质相互作用.这方面的标志性例子是负折射率。折射率描述了波的相位在材料中传播的速度。在天然材料中，这种相演化始终遵循整个波脉冲的传播方向。在负指数材料中，波的相位向后演变，即使脉冲向前传播。目前已知的任何天然材料都不支持这种奇异的现象，但超材料已经在几个不同的波浪领域实现了这一点。这些负折射率材料的一个关键应用是可以使用它们来制造完美的镜头，即具有潜在无限分辨率的镜头，正如约翰·彭德利爵士在上个世纪末发现的那样。这是传统光学无法做到的。
在我看来，超材料的普及——20 年前由对负折射的追求引发——在某种意义上使波物理学界团结起来。超材料为不同的波相关领域提供了共同基础，从量子力学到弹性、光子学、声学和其他领域，新概念可以在不同的波领域顺利转换。这不仅为波浪理论和概念验证实验的基本进步提供了机会，而且为这些新想法的技术影响提供了途径。这种对波物理学的普遍看法是吸引我进入这个研究领域的原因。
告诉我更多关于你的博士研究。
在研究生期间，我研究了混合电子-光子波（称为“等离子体激元”）在石墨烯超材料中的行为。我很想知道当传导这些波的电子密度被外部静电场周期性抑制时会发生什么。我们称这些抑制点为“奇点”。我们的观察表明，当这种情况发生时，大量能量被困在这些奇点附近——但为什么呢？
为了解开这个谜团，我部署了一种美丽的数学技术，称为“变换光学”。使用描述电磁现象的麦克斯韦方程，我们可以在数学上变换空间，将简单、易于理解的结构产生的波模式映射到更复杂的结构上，比如这些“奇异”石墨烯超材料。假设我们在设计这些变换时遵循某些规则，麦克斯韦方程中的基本对称性保证了几何上非常不同的结构将共享相同的共振光谱。
在这样做的过程中，我们发现在这些特殊的石墨烯超材料中观察到的波形与在存在额外“隐藏”空间维度的情况下会发现的波形相同。
因此，我们展示了如何使用这些几何奇点（原则上也可以在银等传统金属中设计）来模拟更高维度的波动力学，有效地将额外维度隐藏在视野之外，同时保留其对传播的物理影响。波浪。这个想法很重要，因为它可以让我们使用相对简单的光子纳米结构桌面实验来模拟额外的“隐藏”维度可以影响看似低维系统的物理特性的方式。这与测试高维场理论的预测有关，该理论假设在无法察觉的小部分空间中存在卷曲或“压缩”的额外维度。
那项工作是如何进入你的博士后奖学金的？
我博士学位的第一部分专注于调整太空中的极端波浪动力学。研究生毕业时，我开始对了解当波通过随时间变化的材料传播时会发生什么产生了兴趣。这个问题是我目前工作的核心。
想象一个由两个脉冲组成的声波：第一个可能听起来像tick ，第二个听起来像tock 。如果这两个脉冲波从墙上反弹，您将再次听到第一个滴答声，然后是tock 。然而，想象一下，不是遇到一堵普通的、反射声音的墙，而是整个宿主介质的属性（比如，你周围的空气密度）的值转换得非常快——比声波的单个周期（例如一个 440Hz 的声音，你为管弦乐队调音的“A”音符，这必须在大约不到一毫秒的时间内发生。）这个过程由巴黎 ESPCI 的 Mathias Fink 教授开创，有时被称为“瞬时时间” -镜子”，并具有部分反转波传播的效果。他们现在不再前进并从墙上弹起，而是简单地向后转。如果我们现在要听时间倒转的波，我们现在会先听到tock ，然后是tick 。
此外，如果我们要测量这种情况下最终波的频率，以及脉冲中包含的总能量，我们会发现它们已经发生了变化。这与传统的散射实验形成对比，在传统散射实验中，频率和总能量必须在空间中守恒。打破波浪的通常时间进程具有许多挑衅性的含义。虽然这是一个众所周知的现象，但我的工作涉及探索更复杂的时间调制方案以实现类似的惊人效果。
这项工作有哪些应用？
一方面，电磁频谱的某些部分现在很难利用。一个例子是太赫兹频率，它位于通常用于无线通信（如 5G）的红外和微波频带之间。与时间相关的系统，就像我刚才描述的那样，可以实现频移和混频。因此，利用它们可能成为未来操纵频率以产生和检测太赫兹辐射的新工具，该辐射可用于扩展我们的可用电信带宽。
另一个应用涉及时间相关系统可以放大波的事实。事实上，我在博士结束时领导的两个项目。与我的顾问 John Pendry 爵士和 Paloma Arroyo Huidobro 一起探索了通过利用随时间变化的材料中的波传播来放大电磁波的新机制。这些本质上是不平衡的系统，需要外部“泵送”机制来调节它们的特性，而感兴趣的波正在“探测”这些时间变化并被放大。在实验上，这是一个非常年轻且具有挑战性的领域，我的一些工作需要与实验组合作，这些实验组正在尝试对这种动态调制材料进行一些首次演示，并探索由此产生的奇异波动力学。另一个应用前沿是非互易波传播，即设计能够在一个方向而不是另一个方向上有效传播波的材料。
最后，您对 Simons Junior Fellowship 有什么看法？
拥有三年不受限制的资助是一种真正的特权，因为它使我能够制定和追求我的长期研究方向，随着领域的发展调整课程，而不必为短期目标而匆忙。我非常感谢西蒙斯基金会给我这个机会。此外，Simons Society of Fellows 也是各领域科学家的天堂。在如此多元化的研究领域与如此多才华横溢、经验丰富的年轻科学家进行交流，既鼓舞人心，也开阔了思路。最后，参加基金会主办的活动确实帮助我适应了我在伦敦的时光并在纽约市安顿下来，在大流行期间两年的孤立和不确定性之后，这一步让我感到特别艰巨。