Metamaterialeforskning udfordrer grundlæggende grænser inden for fotonik

Cornell-forskere foreslår en ny måde at modulere både de absorberende og de refraktive kvaliteter af metamaterialer i realtid, og deres resultater åbner spændende nye muligheder for at kontrollere, i tid og rum, udbredelse og spredning af bølger til applikationer inden for forskellige områder af bølgefysik og teknik.

Forskning offentliggjort i tidsskriftet Optica , "Spektral kausalitet og spredning af bølger, " er forfattet af ph.d.-studerende Zeki Hayran og Aobo Chen, FRK. '19, sammen med deres rådgiver, Francesco Monticone, adjunkt på School of Electrical and Computer Engineering i Engineering College.

Det teoretiske arbejde sigter mod at udvide metamaterialers evner til at absorbere eller bryde elektromagnetiske bølger. Tidligere forskning var begrænset til at modificere enten absorption eller refraktion, men Monticone Research Group har nu vist, at hvis begge kvaliteter moduleres i realtid, effektiviteten af ​​metamaterialet kan øges betydeligt.

Disse tidsmæssigt modulerede metamaterialer, nogle gange omtalt som "krono-metamaterialer" kan åbne uudforskede muligheder og muliggøre teknologiske fremskridt inden for elektromagnetik og fotonik.

"Det, vi demonstrerer, " sagde Monticone, "er, at hvis du modulerer begge egenskaber i tid, du formår at absorbere elektromagnetiske bølger meget mere effektivt end i en statisk struktur, eller i en struktur, hvor du modulerer en af ​​disse to frihedsgrader individuelt. Vi kombinerede disse to aspekter sammen for at skabe et meget mere effektivt system."

Resultaterne kan føre til udviklingen af ​​nye metamaterialer med bølgeabsorptions- og spredningsegenskaber, der langt overgår, hvad der er tilgængeligt i øjeblikket. For eksempel, en bredbåndsabsorber skal være tykkere end en vis værdi for at være effektiv, men materialetykkelsen vil begrænse designets anvendelser.

"For at mindske tykkelsen og øge båndbredden af ​​en sådan absorber, du skal overvinde begrænsningerne ved konventionelle materialer, " sagde Hayran. "En af måderne at omgå disse begrænsninger på er gennem tidsmæssigt at modulere strukturen."

Målet for Monticones gruppe er at åbne nye forskningsområder for at producere stadig mere effektive praktiske applikationer.

"Det, vi forsøger at gøre, er ikke trinvise ændringer af teknologien, " sagde Monticone. "Vi vil have forstyrrende ændringer. Det er virkelig det, der motiverer os. Så hvordan kan vi lave en dramatisk forbedring af teknologien, ikke bare en trinvis forbedring? At gøre det, meget ofte, du skal tilbage til det grundlæggende."

Den nye forskning skubber grænserne for elektromagnetisk bølgeabsorption ved at bruge en anden grad af frihed, som er modulering i tid, noget der ikke typisk gøres på dette område, men får nu stigende forskningsbevågenhed.

Med et nyt teoretisk fundament på plads, eksperimentelt at implementere tidsmæssige modulationer af denne art er udfordringen for yderligere forskning. Et fysisk eksperiment ville først skulle designe en mekanisme til at kontrollere moduleringen af ​​et materiales absorberende og brydningsegenskaber over tid, som kan omfatte laserstråler eller mikrobølgekomponenter.

Idéerne har direkte betydning for flere applikationer, såsom bredbåndsradarabsorption og tidsmæssig usynlighed og tilsløring. Anvendelser kan også udvides til andre områder af bølgefysik, såsom akustik og elastodynamik.

"Vores resultater, og de spændende resultater fra andre forskere, der arbejder på dette område, fremhæve de mange muligheder, som tidsvarierende metamaterialer tilbyder for både klassisk og kvanteelektromagnetik og fotonik, " sagde Monticone.