Cornell-onderzoekers stellen een nieuwe manier voor om zowel de absorberende als de brekingseigenschappen van metamaterialen in realtime te moduleren, en hun bevindingen openen intrigerende nieuwe mogelijkheden om te controleren, in tijd en ruimte, de voortplanting en verstrooiing van golven voor toepassingen op verschillende gebieden van golffysica en techniek.

Het onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift optiek , "Spectrale causaliteit en de verstrooiing van golven, " is geschreven door promovendi Zeki Hayran en Aobo Chen, MEVROUW. '19, samen met hun adviseur, Francesco Monticone, assistent-professor aan de School of Electrical and Computer Engineering in het College of Engineering.

Het theoretische werk heeft tot doel de mogelijkheden van metamaterialen om elektromagnetische golven te absorberen of te breken uit te breiden. Eerder onderzoek was beperkt tot het wijzigen van absorptie of breking, maar de Monticone Research Group heeft nu aangetoond dat als beide kwaliteiten in realtime worden gemoduleerd, de effectiviteit van het metamateriaal kan sterk worden vergroot.

Deze tijdelijk gemoduleerde metamaterialen, soms aangeduid als "chrono-metamaterialen" kan onontgonnen kansen openen en technologische vooruitgang mogelijk maken in elektromagnetische en fotonica.

"Wat we demonstreren, " zei Monticone, "is dat als je beide eigenschappen in de tijd moduleert, je slaagt erin om elektromagnetische golven veel efficiënter te absorberen dan in een statische structuur, of in een structuur waarin je één van deze twee vrijheidsgraden afzonderlijk moduleert. We hebben deze twee aspecten gecombineerd om een ​​veel effectiever systeem te creëren."

De bevindingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe metamaterialen met golfabsorptie- en verstrooiingseigenschappen die veel beter presteren dan wat momenteel beschikbaar is. Bijvoorbeeld, een breedbandabsorber moet dikker zijn dan een bepaalde waarde om effectief te zijn, maar de materiaaldikte zal de toepassingen van het ontwerp beperken.

"Om de dikte te verminderen en de bandbreedte van zo'n absorber te vergroten, je moet de beperkingen van conventionele materialen overwinnen, " zei Hayran. "Een van de manieren om deze beperkingen te omzeilen is door de structuur tijdelijk te moduleren."

Het doel van de groep van Monticone is om nieuwe onderzoeksgebieden te openen om steeds efficiëntere praktische toepassingen te produceren.

"Wat we proberen te doen, zijn geen incrementele veranderingen aan de technologie, "Zei Monticone. "We willen ontwrichtende veranderingen. Dat is echt wat ons motiveert. Dus hoe kunnen we een dramatische verbetering aanbrengen in de technologie, niet alleen een stapsgewijze verbetering? Om dat te doen, heel vaak, je moet terug naar de basis."

Het nieuwe onderzoek verlegt de grenzen van de absorptie van elektromagnetische golven door een andere vrijheidsgraad te gebruiken, dat is modulatie in de tijd, iets wat normaal gesproken niet wordt gedaan op dit gebied, maar krijgt nu steeds meer onderzoeksaandacht.

Met een nieuwe theoretische onderbouwing, het experimenteel implementeren van dit soort temporele modulaties is de uitdaging voor verder onderzoek. Een fysiek experiment zou eerst een mechanisme moeten ontwerpen om de modulatie van absorberende en brekingseigenschappen van een materiaal in de loop van de tijd te regelen, waaronder mogelijk laserstralen of microgolfcomponenten.

De ideeën hebben directe implicaties voor verschillende toepassingen, zoals breedbandradarabsorptie en tijdelijke onzichtbaarheid en verhulling. Toepassingen kunnen zich ook uitstrekken tot andere domeinen van de golffysica, zoals akoestiek en elastodynamica.

"Onze bevindingen, en de opwindende resultaten van andere onderzoekers die op dit gebied werken, de vele mogelijkheden benadrukken die worden geboden door in de tijd variërende metamaterialen voor zowel klassieke als kwantumelektromagnetische en fotonica, ' zei Monticone.