Геометрия

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3568 (2022) Цитировать эту статью

3776 Доступов

4 цитаты

13 Альтметрика

Подробности о метриках

Хорошо известно, что электромагнитное излучение излучающих элементов (например, антенн, апертур и т. д.) зависит от геометрической формы элемента с точки зрения рабочих частот. Этот основной принцип повсеместно применяется при проектировании излучателей для самых разных применений, от микроволнового излучения до оптики и плазмоники. Появление эпсилон-околонулевых сред исключительно допускает бесконечную длину волны электромагнитных волн, проявляя экзотическую пространственно-статическую волновую динамику, не зависящую от геометрии. В этой работе мы теоретически анализируем и экспериментально проверяем такие независимые от геометрии особенности излучения, представляя тем самым новый класс излучающих резонаторов, т.е. антенн, рабочая частота которых не зависит от геометрической формы и определяется только дисперсией основного материала. Несмотря на то, что разработанная эпсилон-антенна имеет разные формы и топологии, она резонирует на одной и той же частоте, демонстрируя при этом совершенно разные диаграммы направленности в дальней зоне, при этом лучи варьируются от широких до узких или даже от одиночных до множественных. Кроме того, для обеспечения высокоэффективного излучения используется метод фотонного легирования. Излучение, обусловленное материалом и не зависящее от геометрии, может привести к многочисленным применениям в гибком проектировании и производстве для беспроводной связи, зондирования и разработки волнового фронта.

Излучение электромагнитных полей было фундаментальной темой в физике и технике на протяжении многих десятилетий и привело к важным применениям в различных областях, таких как беспроводная связь1, дистанционное зондирование2,3, беспроводная передача энергии4,5, и это лишь некоторые из них. Резонатор, связанный со свободным пространством (например, открытая полость), может вытекать ограниченное поле при резонансе с волной излучения наружу. Такой процесс представляет собой явление, при котором геометрическая характеристика (т. е. размер и форма) определяет частотную характеристику. Эту зависимость можно эквивалентно понять с точки зрения собственных мод излучающего резонатора, где резонансная частота обычно определяется его размером и геометрией6. Хорошо известным примером является дипольная антенна7,8,9, широко применяемая в микроволновой и нанооптике, рабочая частота которой напрямую связана с длиной ее плеч. Резонатор Фабри-Перо10,11, как еще один известный случай, резонирует и генерирует лазер только в том случае, если его длина является целым числом, кратным половине длины волны в среде.

Поскольку такая «зависимость от геометрии» широко распространена в радиационных явлениях, резонаторы излучающей полости с рабочей частотой, независимой от геометрии, если бы они существовали, представляли бы качественно другой класс излучателей. Это предоставит ценные степени свободы для настройки диаграммы направленности резонатора в дальней зоне путем управления его геометрией или пространственным распределением излучающих апертур, сохраняя при этом рабочую (резонансную) частоту неизменной. Это противоречит нашему обычному представлению в волновой динамике, где пространственное распределение электромагнитной моды резонатора описывается длиной волны λ в среде, которая, в свою очередь, связана с частотой колебаний f электромагнитных полей фундаментальным ограничением fλ = c/n, где n — показатель преломления среды, заполняющей этот резонатор. Чтобы преодолеть предел минимального размера резонансной полости, составляющий половину длины волны, исследователи предложили оптический резонатор на основе гиперболических метаматериалов и достигли независимого от размера резонанса в миниатюрной геометрии12. Из-за своего небольшого размера и больших волновых чисел в гиперболических метаматериалах полость, естественно, не работает как эффективный излучатель. Поэтому реализация такого геометрически независимого радиатора все еще является сложной задачей.