Natuurkundigen zijn erin geslaagd een experimentele structuur te creëren met een sterke toroidale dipoolrespons van het elektromagnetische veld over een breed frequentiebereik. Deze reactie wordt geassocieerd met een speciale configuratie van elektromagnetische stromen die een hoge concentratie van het veld veroorzaken. Er is een speciaal diëlektrisch metalen rooster gemaakt om de respons te produceren en te meten. De resultaten kunnen worden gebruikt om niet-verstrooiende materialen te maken, evenals om elektromagnetische velden te controleren. Het onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde optische materialen .

Het is niet mogelijk om nauwkeurige sensoren of apparaten voor gegevensopslag en -verwerking te maken zonder de eigenschappen van elektromagnetische velden zoals energieconcentratie, richting van de trillingen, of polarisatie van golven. Het reguleren van de interactie van dipoolreacties die samenhangen met verschillende stroomconfiguraties in het veld, geeft ons de mogelijkheid om elektromagnetische kenmerken van een object te veranderen, zelfs in de mate dat het onzichtbaar wordt. Dit kan worden bereikt door een structuur te creëren die twee dipooltypes combineert:conventioneel elektrisch, en meer complexe toroidale dipool.

Tot nu, de toroïdale dipolen die experimenteel door wetenschappers werden waargenomen, waren ofwel erg zwak of bestonden alleen in een extreem smal frequentiebereik, die complicaties veroorzaakte voor praktisch gebruik. Bovendien, de experimentele structuren waren gebaseerd op metalen, wat tot grote energieverliezen leidde. Wetenschappers van de ITMO University zijn er samen met hun collega's uit Iran en Australië in geslaagd om deze moeilijkheden te overwinnen. Zij waren de eersten die een meta-rooster ontwikkelden bestaande uit diëlektrisch materiaal met een toroidale dipoolrespons die domineert over een breed frequentiebereik.

"We hebben een periodieke structuur gemaakt die we vervolgens in een reeks experimenten hebben getest om er zeker van te zijn dat de toroidale dipool sterk genoeg was. Bij het bestuderen van het spectrum en de distributie van het elektromagnetische veld, we hebben enkele kenmerken geregistreerd die typisch zijn voor toroidale dipool:het veld was sterk geconcentreerd en had een sterke longitudinale component, wat betekent dat de richting van elektromagnetische veldoscillaties samenvalt met de voortplantingsrichting ervan. Dit kan handig zijn voor het maken van moleculaire sensoren of het produceren van niet-lineaire effecten in optica, " legt Andrey Sayansky uit, doctoraat student aan de Faculteit Natuurkunde en Technologie van de ITMO University.

Om het meta-rooster te maken, de wetenschappers gebruikten indium- en galliumfosfiden. De brekingsindex van deze diëlektrische materialen is lager dan de index van gewone materialen zoals germanium of galliumarsenide. Echter, de resultaten toonden aan dat de meer betaalbare "medium" diëlektrica ook kunnen worden gebruikt om energieverlies te voorkomen. Wetenschappers hopen dat dit zal bijdragen aan het actiever onderzoek en de praktische toepassing van dergelijke structuren. Een andere belangrijke bevinding was dat de meta-rooster toroidale respons kan worden opgewekt door elke polarisatiegolf. Dit zal helpen het toepassingsgebied van op meta-rooster gebaseerde materialen en apparaten uit te breiden.

"We hebben geen niet-stralend materiaal ontwikkeld, maar we hebben de basis gelegd die nodig is voor de oprichting ervan. Onze bevindingen zijn ook geschikt voor tal van andere toepassingen. Het principe van de toroïdale dipoolcontrole die in ons onderzoek is gedemonstreerd, kan dienen om sensoren te creëren, licht regelen en informatie verzenden of opslaan, " zegt Andrey Miroshnichenko, professor aan de Universiteit van New South Wales in Australië.