Lichtgolven laten botsen alsof het enorme objecten zijn – Physics World

Lichtgolven laten botsen alsof het enorme objecten zijn – Physics World

Tijdstempel: 14 september 2023 4:00 uur

Schematische tekening van een botsing van fotonen op een tijdsgrensvlak, met twee golven die zich voortplanten langs de wijzerplaten van twee klokken en een uitbarsting van geel waar ze elkaar ontmoeten
Inkomend: Schematische tekening van een botsing van fotonen op een tijdsgrensvlak, een metamateriaal dat abrupte en grote veranderingen in zijn elektromagnetische eigenschappen kan ondergaan. (Met dank aan Anna Umana, Advanced Science Research Center van het CUNY Graduate Center)

Fotonen kunnen botsen alsof het massieve objecten zijn dankzij metamaterialen die bekend staan ​​als tijdinterfaces en die abrupte veranderingen in hun optische eigenschappen ondergaan. Dit is de bevinding van onderzoekers van de City University van New York, VS, die zeggen dat hun werk toepassingen zou kunnen hebben in draadloze communicatie, beeldvorming en technologieën voor het oogsten van energie.

Wanneer twee objecten tegen elkaar botsen, botsen ze en hun kinetische energie blijft behouden, gaat verloren of neemt toe, afhankelijk van hun mechanische eigenschappen. Daarentegen gaan twee fotonen (elektromagnetische golven) doorgaans dwars door elkaar heen, hoewel hun ontmoeting zich kan manifesteren via golfverschijnselen zoals interferentie. De situatie is echter heel anders wanneer ze een verliesgevende structuur verstrooien terwijl ze interfereren. In dit geval kan er energie tussen de fotonen passeren, zodat deze volledig wordt doorgelaten of geabsorbeerd, afhankelijk van de relatieve amplitude en fase van de fotonen. Een dergelijke ‘coherente golfbeheersing’, zoals bekend, kan worden uitgebuit om fenomenen te creëren zoals perfecte absorptie – dat wil zeggen de destructieve interferentie van golven terwijl hun energie volledig wordt gedissipeerd – en om de hoeveelheid absorptie naar behoefte aan te passen.

Onderzoekers onder leiding van natuurkundige en ingenieur Andrea Alù hebben nu aangetoond dat ze een nieuwe vorm van controle over de energie-uitwisseling tussen fotonen kunnen creëren. Daarbij realiseerden ze de fotonische analogie van een mechanische botsing voor elektromagnetische golven met behulp van metamaterialen die abrupte en grote veranderingen in hun elektromagnetische eigenschappen kunnen ondergaan. Door deze variaties kon het team een ​​structuur creëren die bekend staat als een tijdinterface.

“Wanneer twee golven die zich in tegengestelde richtingen voortplanten zo’n grensvlak ervaren terwijl ze elkaar overlappen, ervaren ze extreem snelle energie-uitwisselingen, alsof ze botsende objecten zijn”, legt Alù uit. “De relatieve fase van de twee golven kan de aard van deze botsing bepalen, waardoor energie kan worden bespaard, afgevoerd of versterkt.” Bij deze vorm van temporele coherente golfcontrole interfereren de door de tijdinterface gereflecteerde golven op destructieve wijze met gebroken golven. Onder geschikte omstandigheden kunnen hierdoor één of zelfs beide golven worden geëlimineerd.

Vormgeven van elektromagnetische pulsen

De onderzoekers kwamen op het idee voor hun nieuwe werk nadat ze zich afvroegen of het mogelijk zou zijn om een ​​ongewenste mechanische golf, zoals een tsunami of een seismische golf, uit te wissen door er een andere, soortgelijke golf tegenaan te ‘werpen’ om deze tegen te gaan. “Hoewel een dergelijke uitkomst onmogelijk is in de conventionele golffysica, wisten we dat dit in principe mogelijk was met een tijdelijk metamateriaal”, zegt Emanuele Galiffi, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Alù en de hoofdauteur van een onderzoek in Natuurfysica op het werk. “Ons experiment stelde ons in staat dit concept in actie te demonstreren voor elektromagnetische golven.”

Dit fotonische analogon van mechanische botsingen zou ook kunnen worden gebruikt om elektromagnetische pulsen vorm te geven door ze tegen elkaar te laten botsen. De onderzoekers hebben dergelijke technieken voor elektromagnetische golven in het microgolfregime gedemonstreerd en streven er nu naar om dit bij hogere frequenties te bereiken door apparaten zoals snelle grafeentransistors te gebruiken in plaats van tijdinterfaces.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld