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将光线压缩成无穷小的细线

科技 2019-06-24 15:32:19

研究人员已经证明了一种新的电磁波模式,称为“线波”,它沿着两个相邻表面之间具有不同电磁特性的界面沿着无穷小的细线传播。科学家们预计,线波将有效地用于电磁能量的有效路由和集中,例如光,在集成光子学,传感和量子过程以及未来真空电子学等领域具有潜在的应用。

“线波是第一个被无限小的一维物体引导的电磁波,”加利福尼亚大学圣迭戈分校电子和计算机工程教授,该研究的资深作者Daniel Sievenpiper说。“波导只不过是一条线,导致非常高的场浓度。这可用于增强非线性过程,从而导致用于光通信的高速调制器或更灵敏的化学探测器等。

“令人印象深刻的是如何将波浪挤入一条简单的线路,可以产生基本上无限的能量集中和近乎完美的能量传输,”Dia'aaldin Bisharat说,他是香港城市大学的访问研究员,是第一作者。该研究并在加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院进行。研究人员发表了“ 物理评论快报”杂志。

新的电磁线波类似于所谓的电磁表面波,其发生在两个彼此叠置的不同材料之间的表面界面处。表面波可用于强烈限制和引导光,使其可用于能量传输和通信应用。

另一方面,线波被限制在彼此相邻放置的两个表面之间的界面处。线波被限制在一维空间中,而表面波被限制在二维空间中。想象一下,这两个平面的厚度为零并且并排放置,将界面限制为一条线 - 因此称为线波。这种额外的限制使得线波能够形成复杂的电路,使其在能量传输和通信应用中更加出色,因为它们增加了表面波不具备的横向限制。

实现线波的关键是其中一个表面是电感性的而另一个是电容性的。感应表面支持横向磁极化波,而电容表面支持横向电极化波。当两个表面类型并排放置时,这两个不同的边界支持界面处的线波。

线波的另一个重要特征是它们自然地防止了后向散射。这意味着线路中的缺陷不能将波散射回光源,因此这种类型的波导自然可以防止不必要的反射,Sievenpiper解释说。“这与最近开发的光子拓扑绝缘体类似,但线波具有一些优势,例如更宽的带宽,并且它们允许更简单的制造,”Sievenpiper说。

“我们的系统可能用于简单的量子信息处理,其中信号根据特定的量子态在不同的方向上路由,”Bisharat指出。

研究人员通过使用周期性超曲面在实验和模拟中展示了线波,他们希望通过使用其他材料可以进一步增加工作范围。一种可能性是石墨烯,其可以根据其掺杂水平设计为电感表面或电容表面。Bisharat解释说,使用石墨烯片可以改变线波的速度和限制,并沿不同的路径引导它们,从而产生太赫兹频率的电场可编程电路。

为了证明线波的控制,研究人员在模拟中展示了如何沿着弯曲的路径引导线波并使其成为急转弯。这种以受控方式限制和传输电磁能量的能力可能对构建网络设备和集成光子学应用很有用,研究人员计划在未来进一步研究。

“我们还启动了一个项目,将这一概念从电磁领域扩展到声学或声波,使材料具有控制振动,声音传播和热传输的新特性,”Sievenpiper说。

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