Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Aalto University heeft een nieuwe en eenvoudige manier gevonden om de wederkerigheidswet in de elektromagnetische wereld te overtreden. door de eigenschap van een materiaal periodiek in de tijd te veranderen. De doorbraak kan helpen om efficiënte niet-wederkerige apparaten te creëren, zoals compacte isolatoren en circulatiepompen, die nodig zijn voor de volgende generatie microgolf- en optische communicatiesystemen.

Als we door een raam kijken en onze buurman op straat zien, de buurman kan ons ook zien. Dit heet wederkerigheid, en het is het meest voorkomende fysieke fenomeen in de natuur. Elektromagnetische signalen die zich tussen twee bronnen voortplanten, vallen altijd onder de wederkerigheidswet:als het signaal van bron A kan worden ontvangen door bron B, dan kan het signaal van bron B ook even efficiënt door bron A worden ontvangen.

Onderzoekers van de Universiteit van Aalto, Stanford universiteit, en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Lausanne (EPFL) hebben met succes aangetoond dat de wederkerigheidswet kan worden overtreden als de eigenschap van het voortplantingsmedium periodiek in de tijd verandert. Voortplantingsmedium verwijst naar een materiaal waarin licht en elektromagnetische golven overleven en zich van het ene punt naar het andere voortplanten.

Het team heeft theoretisch aangetoond dat, als het medium wordt gevormd tot een asymmetrische structuur en de fysieke eigenschap ervan wereldwijd in de tijd varieert, het door bron A gegenereerde signaal kan door bron B worden ontvangen, maar niet andersom. Dit creëert een sterk niet-wederkerig effect, aangezien het signaal van bron B niet kan worden ontvangen door bron A.

"Dit is een belangrijke mijlpaal in zowel de natuurkundige als de technische gemeenschap. We hebben eenrichtingslichttransmissie nodig voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals het stabiliseren van de laserwerking of het ontwerpen van toekomstige communicatiesystemen, zoals full-duplex systemen met verhoogde kanaalcapaciteit, ", zegt postdoctoraal onderzoeker Xuchen Wang van Aalto University.

Eerder, het creëren van een niet-wederkerig effect vereist externe magneten voorspanning, wat apparaten omvangrijk maakt, temperatuur onstabiel, en soms onverenigbaar met andere componenten. De nieuwe bevindingen bieden de eenvoudigste en meest compacte manier om elektromagnetische wederkerigheid te doorbreken, zonder de noodzaak van omvangrijke en zware magneten.

"Dergelijke 'time-only' variaties stellen ons in staat om eenvoudige en compacte materiaalplatforms te ontwerpen die in staat zijn tot eenrichtingslichttransmissie en zelfs versterking, " legt Xuchen uit.