Технології
Технології

Фізики змінили середовище і порушили взаємність електромагнітних хвиль

Міжнародній дослідницькій групі вдалося теоретично і практично довести можливість порушення принципів взаємності для електромагнітних хвиль зі зміною властивостей середовища їхнього поширення. Це допоможе у створенні невзаємних пристроїв для мікрохвильових та оптичних систем, які необхідні, наприклад, для квантових комп’ютерів. Новий метод дасть змогу уникнути необхідності змінювати зовнішнє магнітне поле для досягнення такого ефекту, повідомляють фізики у статті, опублікованій у журналі Physical Review Letters.

Nature, 2020

Nature, 2020

Навіщо вченим порушувати принцип взаємності?

Одним з основних принципів електродинаміки є принцип взаємності. Він стверджує, що відношення між змінним струмом і створюваним від нього електромагнітним полем не зміниться, якщо поміняти місцями джерело поля і прилад, який його вимірює. Так електромагнітні сигнали, що поширюються між двома джерелами, завжди підкорюються закону взаємності: якщо сигнал від джерела A може бути прийнятий джерелом B, то сигнал від джерела B також може бути прийнятий джерелом A з рівною ефективністю. На практиці це означає, що електромагнітні хвилі всередині пристроїв, наприклад, всередині хвилеводу, однаково поширюються у всіх напрямках. Однак водночас порушення цього принципу взаємності також має практичне значення — завдяки йому можна побудувати «дійсні» електромагнітні ізолятори, які пропускають сигнали лише в одну сторону, а також подолати фундаментальні обмеження в резонансних системах. Для деяких чутливих пристроїв, наприклад, квантових комп'ютерів, таке порушення необхідно. Взаємність можна порушити, додаючи в систему нелінійності: так рівняння руху хвиль ускладниться і за правильно підібраних параметрах втратить оборотність в часі, а отже описувані їм хвилі будуть по-різному поширюватися в протилежних напрямках. Проте досі дослідники могли порушити принцип взаємності тільки за допомогою зміни зовнішніх магнітних полів, що заважало зменшити розміри систем, адаптувати їх, а зовнішнє зміщення магнітів робило пристрої громіздкими, нестабільними за температурою, а іноді несумісними з іншими компонентами.

Що запропонували фізики?

Середовище поширення —- середовище, в якому світлові і електромагнітні хвилі поширюються з однієї точки в іншу. Для більшості матеріалів електричне поле та поле електричного переміщення (а також магнітне поле та індуктивне магнітне поле) паралельні одне одному. Ці прості середовища називаються ізотропними, і співвідношення між полями можна виразити за допомогою констант. Для більш складних матеріалів, таких як кристали та багато метаматеріалів, ці поля не обов'язково паралельні. Коли один набір полів паралельний, а один набір — ні, матеріал називається анізотропним. Якщо ж електричне та магнітне поля пов'язані між собою та залежать від напрямку всередині матеріалу, то такі середовища можна назвати біанізотропними. І саме це дослідники використали і теоретично довели, що закон взаємності може бути порушений, якщо властивості середовища поширення періодично змінювати у часі. Так вони теоретично довели, що якщо середовище має асиметричну структуру, а його фізичні властивості глобально змінюються в часі, сигнал, що генерується джерелом A, може бути отриманий джерелом B, але не навпаки. Такий спосіб утворення невзаємних систем разюче відрізняється від трьох раніше відомих підходів, заснованих на матеріалах з локальною діелектричною проникністю.

Як це працює?

Щоб перевірити себе експериментально, фізики спроєктували метаповерхню з ємнісного шару з тимчасовою модуляцією та діелектричного шару. Матеріал продемонстрував сильну односпрямовану передачу та односпрямоване посилення хвиль. Метаповерхні - це тип метаматеріалів, у яких відбивні властивості відрізняються від класичних: деякі, наприклад, здатні змінювати напрямок руху звукових хвиль, фокусувати їх, обмежувати їх пропускання або змінювати частоту. У цій же роботі фізики показали, що метаповерхня може підпорядковуватися узагальненій симетрії звернення часу, але демонструє сильне односпрямоване посилення та ослаблення хвиль. Вчені проаналізували поширення хвиль в необмежених матеріалах, ефективні матеріальні параметри яких модулюються в часі відповідно до одних і тих же симетричних профілей і з однаковою фазою в кожній точці простору (рівномірна або так звана глобальна модуляція). Так вони довели, що поширення хвиль в довільних анізотропних матеріалах з глобальною модуляцією часу завжди взаємно. Однак за тих же умов, в біанізотропних матеріалах, вона може бути порушена.

На відміну від інших підходів для невзаємних систем, заснованих на тимчасових модуляціях, цей спосіб забезпечує високу ізоляцію та посилення на основній частоті, використовуючи лише рівномірну тимчасову зміну властивостей матеріалу. Теоретичні підтвердили за допомогою методу узгодження мод у мікрохвильовій метаповерхні. За словами вчених, їхні результати є більш ефективною альтернативою для створення немагнітних невзаємних мікрохвильових печей та, за правильної схеми біанізотропних відгуків у метаповерхні, можуть бути в подальшому поширені на більш високі частоти, а також застосовані до інших хвильових процесів.