(Phys.org) — Natuurkundigen hebben een nieuwe vorm van elektromagnetische golven aangetoond, een "lijngolf, " die langs een oneindig dunne lijn langs het grensvlak tussen twee aangrenzende oppervlakken met verschillende elektromagnetische eigenschappen reist. De wetenschappers verwachten dat lijngolven nuttig zullen zijn voor de efficiënte routering en concentratie van elektromagnetische energie, met mogelijke toepassingen op gebieden als geïntegreerde fotonica, interacties tussen licht en materie, en chirale kwantumoptica.

De onderzoekers, Dia'aaldin J. Bisharat aan de City University of Hong Kong en de University of California, San Diego, en Daniel F. Sievenpiper aan de Universiteit van Californië, San Diego, hebben een artikel gepubliceerd over hun demonstratie van lijngolven in een recent nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het zijn de eerste elektromagnetische golven waarvan blijkt dat ze worden geleid door een oneindig klein, eendimensionaal object, " vertelde Sievenpiper Phys.org . "De golfgeleider is niets meer dan een lijn, dat is een interface tussen twee aangrenzende vellen of vlakken. Dit leidt ook tot een zeer hoge veldconcentratie, en de elektromagnetische velden hebben eigenlijk een singulariteit aan de lijn, wat betekent dat ze oneindig naderen in de wiskundige limiet. Natuurlijk, in echte materialen met eindige dikte, de velden kunnen niet oneindig zijn, maar ze kunnen nog steeds zeer sterk geconcentreerd zijn."

Zoals de natuurkundigen uitleggen, de nieuwe elektromagnetische lijngolven doen denken aan elektromagnetische oppervlaktegolven, die zich voordoen op het grensvlak tussen twee verschillende soorten oppervlakken die op elkaar zijn gelegd. Oppervlaktegolven kunnen worden gebruikt om licht sterk te beperken en te geleiden, waardoor ze bruikbaar zijn voor energietransmissie- en communicatietoepassingen.

Lijngolven zijn vergelijkbaar met oppervlaktegolven omdat ze ook beperkt zijn tot het grensvlak tussen twee oppervlakken, maar bij lijngolven worden de vlakken naast elkaar gelegd, het beperken van de interface tot een lijn. De sleutel tot het realiseren van lijngolven is dat een van de oppervlakken inductief is en de andere capacitief. Terwijl het inductieve oppervlak transversale magnetische gepolariseerde golven ondersteunt, het capacitieve oppervlak ondersteunt transversale elektrisch gepolariseerde golven. Wanneer de twee oppervlaktetypes naast elkaar worden geplaatst, deze twee verschillende grenzen ondersteunen lijngolven op het grensvlak. Een ander belangrijk kenmerk van lijngolven, zoals de natuurkundigen uitleggen, is dat ze op natuurlijke wijze terugverstrooiing voorkomen.

"Lijngolven hebben ook nog een bijzondere eigenschap, dat is dat tegengestelde polarisaties zich alleen in tegengestelde richtingen kunnen voortplanten, Sievenpiper zei. "Dit betekent dat defecten in de lijn de golven niet terug naar de bron kunnen verspreiden, dus dit type golfgeleider voorkomt op natuurlijke wijze ongewenste reflecties. Dit is vergelijkbaar met de recent ontwikkelde fotonische topologische isolatoren, maar lijngolven hebben enkele voordelen, zoals een grotere bandbreedte, en ze maken een eenvoudiger fabricage mogelijk."

De wetenschappers demonstreerden lijngolven in experimenten en simulaties met behulp van periodieke meta-oppervlakken, en ze verwachten dat ze het werkbereik nog kunnen vergroten door andere materialen te gebruiken. Een mogelijkheid is grafeen, die kan worden ontworpen als een inductief oppervlak of een capacitief oppervlak, afhankelijk van het doteringsniveau.

Om de beheersing van lijngolven te demonstreren, de natuurkundigen lieten in simulaties zien hoe lijngolven langs gebogen paden kunnen worden geleid en gerouteerd om scherpe bochten te maken. Dit vermogen om elektromagnetische energie op een gecontroleerde manier te beperken en te transporteren, zal waarschijnlijk nuttig zijn voor het bouwen van netwerkapparatuur en geïntegreerde fotonica-toepassingen, die de onderzoekers in de toekomst verder willen onderzoeken.

"Lijngolven kunnen worden gebruikt voor geïntegreerde optische golfgeleiders, bijvoorbeeld, Sievenpiper zei. "Hun hoge veldconcentratie kan optische modulatoren met hogere prestaties of gevoelige chemische detectoren mogelijk maken. Het feit dat ze eenrichtingspropagatie ondersteunen met verwaarloosbare terugverstrooiing kan optische isolatoren of circulatoren mogelijk maken. Indien gemaakt met materialen zoals grafeen, lijngolfgeleiders kunnen elektrisch herconfigureerbaar zijn, wat leidt tot in het veld programmeerbare optische circuits."

In de toekomst, de onderzoekers gaan aan de slag om dit soort optische schakelingen te realiseren.

"We starten twee nieuwe projecten op basis van lijngolven. De eerste is om ze te verkleinen tot optische frequenties en om fotonische componenten zoals isolatoren en modulatoren te demonstreren met betere prestaties dan hun conventionele tegenhangers. De volgende stap zou zijn om ze te bouwen met afstembare materialen om herconfigureerbare optische circuits te maken.

"We starten ook een project om dit concept uit te breiden van het elektromagnetische domein naar akoestische of fonongolven, om materialen met nieuwe eigenschappen voor het beheersen van trillingen mogelijk te maken, geluidsvoortplanting, en warmtetransport."

© 2017 Fys.org