Lysbølger fik til at kollidere, som om de var massive objekter – Physics World

Lysbølger fik til at kollidere, som om de var massive objekter – Physics World

Tidsstempel: 14. september 2023 kl. 4

Skematisk tegning af en fotonkollision ad gangen, der viser to bølger, der forplanter sig hen over siderne på to ure og et udbrud af gult, hvor de mødes
Indkommende: Skematisk tegning af en fotonkollision på en tidsgrænseflade, som er et metamateriale, der kan gennemgå bratte og store ændringer i dets elektromagnetiske egenskaber. (Med høflighed: Anna Umana, Advanced Science Research Center på CUNY Graduate Center)

Fotoner kan kollidere, som om de var massive objekter takket være metamaterialer kendt som tidsgrænseflader, der undergår pludselige ændringer i deres optiske egenskaber. Dette er opdagelsen af ​​forskere ved City University of New York, USA, som siger, at deres arbejde kunne have anvendelser inden for trådløs kommunikation, billeddannelse og energihøstteknologier.

Når to genstande støder ind i hinanden, kolliderer de, og deres kinetiske energi enten bevares, tabes eller øges, afhængigt af deres mekaniske egenskaber. I modsætning hertil passerer to fotoner (elektromagnetiske bølger) generelt lige igennem hinanden, selvom deres møde kan manifestere sig via bølgefænomener som interferens. Men situationen er meget anderledes, når de spreder en tabsgivende struktur, når de forstyrrer. I dette tilfælde kan energi passere mellem dem, så den transmitteres eller absorberes fuldstændigt afhængigt af fotonernes relative amplitude og fase. En sådan "kohærent bølgekontrol", som det er kendt, kan udnyttes til at skabe fænomener som perfekt absorption - det vil sige den ødelæggende interferens af bølger, da deres energi spredes fuldstændigt - og til at skræddersy mængden af ​​absorption efter behov.

Forskere ledet af fysiker og ingeniør Andrea Alù har nu vist, at de kan skabe en ny form for kontrol over energiudvekslinger mellem fotoner. I processen realiserede de den fotoniske analog af en mekanisk kollision for elektromagnetiske bølger ved hjælp af metamaterialer, der kan gennemgå pludselige og store ændringer i deres elektromagnetiske egenskaber. Disse variationer gjorde det muligt for teamet at skabe en struktur kendt som en tidsgrænseflade.

"Når to bølger, der forplanter sig i modsatte retninger, oplever en sådan grænseflade, mens de overlapper, oplever de ekstremt hurtige energiudvekslinger, som om de var kolliderende objekter," forklarer Alù. "Den relative fase af de to bølger kan kontrollere arten af ​​denne kollision, som enten kan spare energi, sprede den eller forstærke den." I denne form for tidsmæssig kohærent bølgekontrol interfererer bølgerne, der reflekteres fra tidsgrænsefladen, destruktivt med brydte bølger. Under passende forhold tillader dette en eller endda begge bølger at blive annulleret.

Udformning af elektromagnetiske impulser

Forskerne fik ideen til deres nye arbejde, efter at de spekulerede på, om det kunne være muligt at slette en uønsket mekanisk bølge, såsom en tsunami eller en seismisk bølge, ved at "kaste" en anden lignende bølge mod den for at modvirke den. "Selvom et sådant resultat er umuligt i konventionel bølgefysik, vidste vi, at det i princippet var muligt med et tidsmæssigt metamateriale," siger Emanuele Galiffi, en postdoc-stipendiat i Alùs laboratorium og hovedforfatter af en undersøgelse i Naturfysik på arbejdet. "Vores eksperiment gav os mulighed for at demonstrere dette koncept i aktion for elektromagnetiske bølger."

Denne fotoniske analog af mekaniske kollisioner kunne også bruges til at forme elektromagnetiske impulser ved at kollidere dem mod hinanden. Forskerne har demonstreret en sådan skulptur for elektromagnetiske bølger i mikrobølgeregimet og sigter nu på at opnå dette ved højere frekvenser ved at bruge enheder som højhastighedsgrafentransistorer i stedet for tidsgrænseflader.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden