Temporal sigtning med temporale metamaterialer

Skræddersy og manipulation af elektromagnetisk bølgeudbredelse har været af stor interesse i det videnskabelige samfund i mange årtier. I denne sammenhæng, bølgeudbredelse er blevet konstrueret ved korrekt at indføre rumlige inhomogeniteter langs stien, hvor bølgen bevæger sig. Antenner og kommunikationssystemer generelt har haft stor gavn af denne bølgestofkontrol. For eksempel, hvis man skal omdirigere det udstrålede felt (information) fra en antenne (sender) til en ønsket retning og nå frem til en modtageantenne placeret et andet sted, man kan blot placere førstnævnte i en translationsfase og mekanisk styre udbredelsen af ​​den udsendte elektromagnetiske bølge.

Sådanne strålestyringsteknikker har i høj grad bidraget til den rumlige sigtning af mål i applikationer som radarer og punkt-til-punkt kommunikationssystemer. Strålestyring kan også opnås ved hjælp af metamaterialer og metasurfaces ved hjælp af rumlig styring af de effektive elektromagnetiske parametre i et designet meta-linse antennesystem og/eller ved at bruge rekonfigurerbare meta-overflader. Det næste spørgsmål at stille:Kan vi skubbe grænserne for aktuelle strålestyringsapplikationer ved at kontrollere medies elektromagnetiske egenskaber ikke kun i rummet, men også i tiden (dvs. 4-D metamaterialer x, y, z, t)? I orden, ville det være muligt at opnå tidsmæssig sigtning af elektromagnetiske bølger?

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , Victor Pacheco-Peña fra School of Mathematics, Statistik og fysik ved Newcastle University i Storbritannien og Nader Engheta fra og Department of Electrical and Systems Engineering ved University of Pennsylvania, USA har besvaret dette spørgsmål ved at foreslå ideen om temporale metamaterialer, der skifter fra en isotrop til en anisotrop permittivitetstensor. I dette koncept, forfatterne betragter en hurtig ændring af permittiviteten af ​​hele mediet, hvor bølgen bevæger sig, og demonstrerede både numerisk og analytisk virkningerne af en sådan tidsmæssig grænse forårsaget af den hurtige tidsmæssige ændring af permittivitet. Ved at gøre sådan, fremadgående og bagudgående bølger produceres med bølgevektor k bevaret gennem hele processen, mens frekvensen ændres, afhængigt af værdierne af permittivitetstensoren før og efter den tidsmæssige ændring af permittivitet.

Interessant nok, forfatternes teoretiske resultater viser også, hvordan retningen af ​​energiudbredelsen (defineret af Poynting-vektoren S) er forskellig fra bølgetallets retning, fører til strålestyring i realtid af elektromagnetisk energi, et fænomen, forfatterne kaldte Temporal aiming som den tidsmæssige analog af den rumlige stråling. Alle de rapporterede numeriske beregninger er i fremragende overensstemmelse med analytiske beregninger. Som forfatterne kommenterer:

"I denne undersøgelse giver vi en dybdegående analyse af den underliggende fysik bag en sådan tidsmæssig sigtetilgang opnået ved hurtigt at ændre permittiviteten af ​​mediet, der indeholder bølgen, fra isotrope til anisotrope værdier. Som et spændende resultat, vi var i stand til at udtrække en lukket analytisk og simpel formel for den nye retning for energiudbredelse af den allerede tilstedeværende elektromagnetiske bølge."

"Vi præsenterer en detaljeret undersøgelse, der overvejer monokromatiske bølger under forskellige skrå indfaldsvinkler sammen med mere komplekse indfaldende elektromagnetiske bølger såsom gaussiske stråler."

"Da dette tidsmæssige mål giver os mulighed for vilkårligt at ændre energipropagationsretningen i realtid, det kunne åbne nye muligheder for strålestyring i realtid. Vi giver et numerisk eksempel på en enkelt senderantenne og tre modtagere placeret på forskellige rumlige steder. Vores eksempel demonstrerer, hvordan den transmitterede elektromagnetiske bølge kan nå enhver af de tre modtagere ved blot at konstruere en tidsafhængig permittivitet af mediet efter en kvadratisk funktion:isotropisk-anisotropisk-isotropisk".

"Den præsenterede teknik har potentialet til at åbne nye muligheder for routing af information i integrerede fotoniske systemer ved at implementere tidsmæssige metamaterialer, der kan afbøje de guidede elektromagnetiske bølger til et ønsket mål/retning på en chip" forudser forskerne.