Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een van de meest bekende elektromagnetische effecten in de natuurkunde gerepliceerd, het Hall-effect, met behulp van radiogolven (fotonen) in plaats van elektrische stroom (elektronen). Hun techniek zou kunnen worden gebruikt om geavanceerde communicatiesystemen te creëren die de signaaloverdracht in één richting versterken en tegelijkertijd signalen absorberen die in de tegenovergestelde richting gaan.

Het Hall-effect, ontdekt in 1879 door Edwin Hall, ontstaat door de interactie tussen geladen deeltjes en elektromagnetische velden. In een elektrisch veld, negatief geladen deeltjes (elektronen) ervaren een kracht tegengesteld aan de richting van het veld. In een magnetisch veld, bewegende elektronen ervaren een kracht in de richting loodrecht op zowel hun beweging als het magnetische veld. Deze twee krachten combineren in het Hall-effect, waar loodrechte elektrische en magnetische velden samenkomen om een ​​elektrische stroom te genereren. Licht is niet opgeladen, dus regelmatige elektrische en magnetische velden kunnen niet worden gebruikt om een ​​analoge "lichtstroom" te genereren. Echter, in een recent artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers hebben precies dit gedaan met behulp van wat zij 'synthetische elektrische en magnetische velden' noemen.

Hoofdonderzoeker Gaurav Bahl's onderzoeksgroep heeft gewerkt aan verschillende methoden om de radio- en optische datatransmissie en glasvezelcommunicatie te verbeteren. Eerder dit jaar, de groep maakte gebruik van een interactie tussen licht- en geluidsgolven om de verstrooiing van licht door materiaaldefecten te onderdrukken en publiceerde de resultaten in optiek . in 2018, teamlid Christopher Peterson was de hoofdauteur van een Science Advances-paper waarin een technologie werd uitgelegd die belooft de bandbreedte die nodig is voor communicatie te halveren door een antenne gelijktijdig signalen op dezelfde frequentie te laten verzenden en ontvangen via een proces dat niet-wederkerige koppeling wordt genoemd.

In de huidige studie, Peterson heeft een andere veelbelovende methode geboden om datatransmissie gericht te regelen met behulp van een principe dat vergelijkbaar is met het Hall-effect. In plaats van een elektrische stroom, het team genereerde een "stroom van licht" door synthetische elektrische en magnetische velden te creëren, die licht op dezelfde manier beïnvloeden als de normale velden elektronen beïnvloeden. In tegenstelling tot conventionele elektrische en magnetische velden, deze synthetische velden worden gecreëerd door de structuur te variëren die licht zich voortplant in zowel ruimte als tijd.

"Hoewel radiogolven geen lading dragen en daarom geen krachten ondervinden van elektrische of magnetische velden, natuurkundigen weten al enkele jaren dat equivalente krachten kunnen worden geproduceerd door licht op te sluiten in structuren die variëren in ruimte of tijd, " legde Peterson uit. "De snelheid van verandering van de structuur in de tijd is in feite evenredig met het elektrische veld, en de snelheid van verandering in de ruimte is evenredig met het magnetische veld. Hoewel deze synthetische velden voorheen afzonderlijk werden beschouwd, we hebben aangetoond dat hun combinatie fotonen op dezelfde manier beïnvloedt als elektronen."

Door een speciaal ontworpen circuit te creëren om de interactie tussen deze synthetische velden en radiogolven te verbeteren, het team maakte gebruik van het principe van het Hall-effect om radiosignalen in één richting te versterken, hun kracht vergroten, terwijl ook het stoppen en absorberen van signalen die in de andere richting gaan. Hun experimenten toonden aan dat met de juiste combinatie van synthetische velden, signalen kunnen meer dan 1000 keer zo effectief door het circuit worden verzonden in de ene richting dan in de tegenovergestelde richting. Hun onderzoek zou kunnen worden gebruikt om nieuwe apparaten te produceren die bronnen van radiogolven beschermen tegen mogelijk schadelijke interferentie, of die ervoor zorgen dat gevoelige kwantummechanische metingen nauwkeurig zijn. Het team werkt ook aan experimenten die het concept uitbreiden naar andere soorten golven, inclusief lichte en mechanische trillingen, terwijl ze op zoek zijn naar een nieuwe klasse apparaten op basis van het toepassen van het Hall-effect buiten het oorspronkelijke domein.