Forskere producerer syntetisk Hall Effect for at opnå envejs radiotransmission

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har replikeret en af ​​de mest kendte elektromagnetiske effekter inden for fysik, hall -effekten, ved hjælp af radiobølger (fotoner) i stedet for elektrisk strøm (elektroner). Deres teknik kunne bruges til at skabe avancerede kommunikationssystemer, der øger signaloverførsel i en retning, samtidig med at de absorberer signaler, der går i den modsatte retning.

Hall -effekten, opdaget i 1879 af Edwin Hall, opstår på grund af samspillet mellem ladede partikler og elektromagnetiske felter. I et elektrisk felt, negativt ladede partikler (elektroner) oplever en kraft modsat feltretning. I et magnetfelt, bevægelige elektroner oplever en kraft i retningen vinkelret på både deres bevægelse og magnetfeltet. Disse to kræfter kombineres i Hall -effekten, hvor vinkelrette elektriske og magnetiske felter kombineres for at generere en elektrisk strøm. Lyset oplades ikke, så almindelige elektriske og magnetiske felter kan ikke bruges til at generere en analog "lysstrøm". Imidlertid, i en nylig artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , forskere har gjort præcis dette ved hjælp af det, de kalder "syntetiske elektriske og magnetiske felter."

Hovedforsker Gaurav Bahls forskningsgruppe har arbejdet på flere metoder til at forbedre radio- og optisk datatransmission samt fiberoptisk kommunikation. Tidligere i år, gruppen udnyttede en vekselvirkning mellem lys og lydbølger for at undertrykke spredning af lys fra materialefejl og offentliggjorde sine resultater i Optica . I 2018, teammedlem Christopher Peterson var hovedforfatter i et Science Advances -papir, der forklarede en teknologi, der lover at halvere den båndbredde, der er nødvendig for kommunikation, ved at lade en antenne sende og modtage signaler på samme frekvens samtidigt gennem en proces kaldet ikke -gensidig kobling.

I den aktuelle undersøgelse, Peterson har leveret en anden lovende metode til retningsstyret datatransmission ved hjælp af et princip, der ligner Hall Effect. I stedet for en elektrisk strøm, teamet genererede en "lysstrøm" ved at skabe syntetiske elektriske og magnetiske felter, som påvirker lys på samme måde som de normale felter påvirker elektroner. I modsætning til konventionelle elektriske og magnetiske felter, disse syntetiske felter skabes ved at variere den struktur, lyset formerer sig i både rum og tid.

"Selvom radiobølger ikke bærer ladning og derfor ikke oplever kræfter fra elektriske eller magnetiske felter, fysikere har i flere år vidst, at ækvivalente kræfter kan frembringes ved at begrænse lys i strukturer, der varierer i rum eller tid, "Peterson forklarede." Hastigheden af ​​ændring af strukturen i tid er effektivt proportional med det elektriske felt, og ændringshastigheden i rummet er proportional med magnetfeltet. Mens disse syntetiske felter tidligere blev betragtet separat, vi viste, at deres kombination påvirker fotoner på samme måde, som den påvirker elektroner. "

Ved at oprette et specielt designet kredsløb for at forbedre interaktionen mellem disse syntetiske felter og radiobølger, teamet udnyttede princippet om Hall Effect til at øge radiosignaler i en retning, øge deres styrke, samtidig stoppe og absorbere signaler, der går i den anden retning. Deres eksperimenter viste, at med den rigtige kombination af syntetiske felter, signaler kan transmitteres gennem kredsløbet mere end 1000 gange så effektivt i en retning end i den modsatte retning. Deres forskning kan bruges til at producere nye enheder, der beskytter kilder til radiobølger mod potentielt skadelig interferens, eller som hjælper med at sikre, at følsomme kvantemekaniske målinger er nøjagtige. Teamet arbejder også på eksperimenter, der udvider konceptet til andre former for bølger, herunder lette og mekaniske vibrationer, som de ser ud til at etablere en ny klasse af enheder baseret på at anvende Hall Effect uden for sit oprindelige domæne.