Het afstemmen en manipuleren van de voortplanting van elektromagnetische golven is al tientallen jaren van groot belang binnen de wetenschappelijke gemeenschap. In deze context, golfvoortplanting is ontworpen door op de juiste manier ruimtelijke inhomogeniteiten te introduceren langs het pad waar de golf zich voortplant. Antennes en communicatiesystemen in het algemeen hebben enorm geprofiteerd van deze golf-materiecontrole. Bijvoorbeeld, als men het uitgestraalde veld (informatie) van een antenne (zender) in een gewenste richting moet omleiden en een ontvangstantenne moet bereiken die op een andere locatie is geplaatst, men kan de eerstgenoemde eenvoudig in een translatiestadium plaatsen en mechanisch de voortplanting van de uitgezonden elektromagnetische golf sturen.

Dergelijke straalbesturingstechnieken hebben in grote mate bijgedragen aan het ruimtelijk richten van doelen in toepassingen zoals radars en point-to-point communicatiesystemen. Straalsturing kan ook worden bereikt met behulp van metamaterialen en meta-oppervlakken door middel van het ruimtelijk regelen van de effectieve elektromagnetische parameters van een ontworpen meta-lens antennesysteem en/of door gebruik te maken van herconfigureerbare meta-oppervlakken. De volgende vraag die moet worden gesteld:kunnen we de grenzen van de huidige toepassingen voor het sturen van bundels verleggen door de elektromagnetische eigenschappen van media niet alleen in de ruimte maar ook in de tijd (d.w.z. 4-D metamaterialen x, ja, z, t)? In volgorde woorden, zou het mogelijk zijn om tijdelijke gerichtheid van elektromagnetische golven te bereiken?

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , Victor Pacheco-Peña van de School voor Wiskunde, Statistiek en natuurkunde van Newcastle University in het VK en Nader Engheta van en Department of Electrical and Systems Engineering van de University of Pennsylvania, De VS hebben deze vraag beantwoord door het idee voor te stellen van tijdelijke metamaterialen die veranderen van een isotrope naar een anisotrope permittiviteitstensor. In dit begrip, de auteurs beschouwen een snelle verandering van de permittiviteit van het hele medium waar de golf zich voortplant en demonstreerden zowel numeriek als analytisch de effecten van een dergelijke tijdelijke grens veroorzaakt door de snelle tijdelijke verandering van permittiviteit. Door dit te doen, voorwaartse en achterwaartse golven worden geproduceerd met golfvector k die gedurende het hele proces behouden blijft terwijl de frequentie wordt gewijzigd, afhankelijk van de waarden van de permittiviteitstensor voor en na de tijdelijke verandering van de permittiviteit.

interessant, de theoretische resultaten van de auteurs laten ook zien hoe de richting van de energievoortplanting (gedefinieerd door de Poynting-vector S) verschilt van die van het golfgetal, wat leidt tot real-time bundelsturing van elektromagnetische energie, een fenomeen dat de auteurs Temporal aiming noemden als de tijdelijke analoog van de ruimtelijke beaming. Alle gerapporteerde numerieke berekeningen komen uitstekend overeen met analytische berekeningen. Zoals de auteurs opmerken:

"In deze studie bieden we een diepgaande analyse van de onderliggende fysica achter een dergelijke temporele benadering die wordt bereikt door de permittiviteit van het medium dat de golf bevat snel te veranderen, van isotrope naar anisotrope waarden. Als spannend resultaat we waren in staat om een ​​gesloten analytische en eenvoudige formule te extraheren voor de nieuwe richting van energievoortplanting van de reeds aanwezige elektromagnetische golf."

"We presenteren een gedetailleerde studie waarin monochromatische golven onder verschillende schuine invalshoeken worden overwogen, samen met complexere invallende elektromagnetische golven zoals Gauss-stralen."

"Aangezien dit tijdelijke richten ons in staat stelt willekeurig de richting van energievoortplanting in realtime te veranderen, het zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor real-time straalbesturing. We geven een numeriek voorbeeld van een enkele zenderantenne en drie ontvangers die op verschillende ruimtelijke locaties zijn geplaatst. Ons voorbeeld laat zien hoe de uitgezonden elektromagnetische golf elk van de drie ontvangers kan bereiken door eenvoudig een tijdsafhankelijke permittiviteit van het medium te ontwerpen volgens een vierkante functie:isotroop-anisotroop-isotroop".

"De gepresenteerde techniek heeft het potentieel om nieuwe mogelijkheden te openen voor het routeren van informatie in geïntegreerde fotonische systemen door tijdelijke metamaterialen te implementeren die de geleide elektromagnetische golven kunnen afbuigen naar een gewenst doel / richting op een chip", voorspellen de wetenschappers.