Fysikere leder elektromagnetiske bølger langs en uendelig lille linje

(Phys.org) - Fysikere har demonstreret en ny måde for elektromagnetisk bølge kaldet en "linjebølge, "der bevæger sig langs en uendelig tynd linje langs grænsefladen mellem to tilstødende overflader med forskellige elektromagnetiske egenskaber. Forskerne forventer, at linjebølger vil være nyttige til effektiv routing og koncentration af elektromagnetisk energi, med potentielle anvendelser inden for områder som integreret fotonik, lys-stof interaktioner, og kiral kvanteoptik.

Forskerne, Dia'aaldin J. Bisharat ved City University of Hong Kong og University of California, San Diego, og Daniel F. Sievenpiper ved University of California, San Diego, har udgivet et papir om deres demonstration af linjebølger i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"De er de første elektromagnetiske bølger, der viser sig at blive styret af en uendelig lille, endimensionalt objekt, "Fortalte Sievenpiper Phys.org . "Bølgelederen er ikke mere end en linje, som er en grænseflade mellem to tilstødende ark eller fly. Dette fører også til en meget høj feltkoncentration, og de elektromagnetiske felter har faktisk en singularitet ved linjen, hvilket betyder, at de nærmer sig uendeligt i den matematiske grænse. Selvfølgelig, i ægte materialer med endelig tykkelse, felterne kan ikke være uendelige, men de kan stadig være meget stærkt koncentrerede. "

Som fysikerne forklarer, de nye elektromagnetiske linjebølger minder om elektromagnetiske overfladebølger, som forekommer ved grænsefladen mellem to forskellige typer overflader lagt oven på den anden. Overfladebølger kan bruges til stærkt at begrænse og lede lys, gør dem nyttige til energitransmission og kommunikationsapplikationer.

Linjebølger ligner overfladebølger, idet de også er begrænset til grænsefladen mellem to overflader, men med linjebølger er overfladerne lagt side om side, begrænser grænsefladen til en linje. Nøglen til at realisere linjebølger er, at den ene af overfladerne er induktiv, mens den anden er kapacitiv. Mens den induktive overflade understøtter tværgående magnetiske polariserede bølger, den kapacitive overflade understøtter tværgående elektriske polariserede bølger. Når de to overfladetyper placeres side om side, disse to forskellige grænser understøtter linjebølger ved grænsefladen. Et andet vigtigt træk ved linjebølger, som fysikerne forklarer, er, at de naturligvis forhindrer tilbagespredning.

"Linjebølger har også en anden særlig egenskab, hvilket er, at modsatte polarisationer kun kan forplante sig i modsatte retninger, "Sievenpiper sagde." Det betyder, at defekter i linjen ikke kan sprede bølger tilbage mod kilden, så denne type bølgeleder forhindrer naturligvis uønskede refleksioner. Dette ligner de nyligt udviklede fotoniske topologiske isolatorer, men linjebølger har nogle fordele såsom bredere båndbredde, og de tillader enklere fremstilling. "

Forskerne demonstrerede linjebølger i eksperimenter og simuleringer ved hjælp af periodiske metasurfaces, og de forventer, at de kan øge driftsområdet yderligere ved at bruge andre materialer. En mulighed er grafen, som kan designes til enten at være en induktiv overflade eller en kapacitiv overflade afhængigt af dets dopingniveau.

For at demonstrere kontrollen med linjebølger, fysikerne viste i simuleringer, hvordan linjebølger kan styres langs buede stier og dirigeres til skarpe sving. Denne evne til at begrænse og transportere elektromagnetisk energi på en kontrolleret måde vil sandsynligvis være nyttig til opbygning af netværksenheder og integrerede fotonikapplikationer, som forskerne planlægger at undersøge nærmere i fremtiden.

"Linjebølger kan bruges til integrerede optiske bølgeledere, for eksempel, "Sievenpiper sagde." Deres høje feltkoncentration kan muliggøre optiske modulatorer med højere ydeevne eller følsomme kemiske detektorer. Den kendsgerning, at de understøtter envejs spredning med ubetydelig tilbagespredning, kan muliggøre optiske isolatorer eller cirkulatorer. Hvis det fremstilles ved hjælp af materialer som grafen, linje bølge guider kunne være elektrisk rekonfigurerbare, fører til feltprogrammerbare optiske kredsløb. "

I fremtiden, forskerne planlægger at arbejde med at realisere denne slags optiske kredsløb.

"Vi starter to nye projekter baseret på linjebølger. Det første er at skalere dem ned til optiske frekvenser og demonstrere fotoniske komponenter som isolatorer og modulatorer med bedre ydeevne end deres konventionelle modstykker. Det næste trin derefter ville være at bygge dem ved hjælp af afstembare materialer til fremstilling af rekonfigurerbare optiske kredsløb.

"Vi starter også et projekt for at udvide dette koncept fra det elektromagnetiske domæne til akustiske eller fononbølger, at muliggøre materialer med nye egenskaber til styring af vibrationer, lydspredning, og varmetransport. "

© 2017 Phys.org