(Phys.org)—I fisici hanno dimostrato una nuova modalità di onda elettromagnetica chiamata "onda lineare, " che viaggia lungo una linea infinitamente sottile lungo l'interfaccia tra due superfici adiacenti con diverse proprietà elettromagnetiche. Gli scienziati si aspettano che le onde lineari siano utili per l'instradamento e la concentrazione efficienti dell'energia elettromagnetica, con potenziali applicazioni in settori quali la fotonica integrata, interazioni luce-materia, e ottica quantistica chirale.

I ricercatori, Dia'aaldin J. Bisharat presso la City University di Hong Kong e la University of California, San Diego, e Daniel F. Sievenpiper presso l'Università della California, San Diego, hanno pubblicato un articolo sulla dimostrazione delle onde lineari in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"Sono le prime onde elettromagnetiche che si trovano guidate da un infinitesimo, oggetto unidimensionale, "Sievenpiper ha detto Phys.org . "La guida d'onda non è altro che una linea, che è un'interfaccia tra due fogli o piani adiacenti. Questo porta anche ad una concentrazione di campo molto alta, e i campi elettromagnetici hanno effettivamente una singolarità sulla linea, nel senso che si avvicinano all'infinito nel limite matematico. Certo, in materiali reali a spessore finito, i campi non possono essere infiniti, ma possono ancora essere molto altamente concentrati."

Come spiegano i fisici, le nuove onde elettromagnetiche di linea ricordano le onde elettromagnetiche di superficie, che si verificano all'interfaccia tra due diversi tipi di superfici sovrapposte. Le onde di superficie possono essere utilizzate per confinare e guidare fortemente la luce, rendendoli utili per la trasmissione di energia e le applicazioni di comunicazione.

Le onde lineari sono simili alle onde di superficie in quanto sono anche confinate all'interfaccia tra due superfici, ma con le onde di linea le superfici sono affiancate, limitando l'interfaccia a una linea. La chiave per realizzare onde lineari è che una delle superfici è induttiva mentre l'altra è capacitiva. Considerando che la superficie induttiva supporta onde magnetiche polarizzate trasversali, la superficie capacitiva supporta onde elettriche polarizzate trasversali. Quando i due tipi di superficie sono affiancati, questi due diversi confini supportano le onde di linea all'interfaccia. Un'altra caratteristica importante delle onde di linea, come spiegano i fisici, è che prevengono naturalmente il backscattering.

"Le onde di linea hanno anche un'altra proprietà speciale, cioè che le polarizzazioni opposte possono propagarsi solo in direzioni opposte, " Disse Sievenpiper. "Ciò significa che i difetti nella linea non possono disperdere le onde verso la sorgente, quindi questo tipo di guida d'onda previene naturalmente i riflessi indesiderati. Questo è simile agli isolanti topologici fotonici di recente sviluppo, ma le onde di linea hanno alcuni vantaggi come una larghezza di banda più ampia, e consentono una fabbricazione più semplice."

Gli scienziati hanno dimostrato le onde lineari in esperimenti e simulazioni utilizzando metasuperfici periodiche, e si aspettano di poter aumentare ulteriormente il raggio d'azione utilizzando altri materiali. Una possibilità è il grafene, che può essere progettato per essere una superficie induttiva o capacitiva a seconda del suo livello di drogaggio.

Per dimostrare il controllo delle onde di linea, i fisici hanno mostrato nelle simulazioni come le onde lineari possono essere guidate lungo percorsi curvi e indirizzate per fare curve strette. Questa capacità di confinare e trasportare l'energia elettromagnetica in modo controllato sarà probabilmente utile per costruire dispositivi di rete e applicazioni fotoniche integrate, che i ricercatori intendono approfondire in futuro.

"Le onde lineari possono essere utilizzate per guide d'onda ottiche integrate, Per esempio, " Sievenpiper ha detto. "La loro alta concentrazione di campo può consentire modulatori ottici ad alte prestazioni o rivelatori chimici sensibili. Il fatto che supportino la propagazione unidirezionale con una retrodiffusione trascurabile può consentire isolatori ottici o circolatori. Se realizzati con materiali come il grafene, le guide d'onda di linea potrebbero essere riconfigurabili elettricamente, portando a circuiti ottici programmabili sul campo."

Nel futuro, i ricercatori intendono lavorare alla realizzazione di questo tipo di circuiti ottici.

"Stiamo avviando due nuovi progetti basati sulle onde di linea. Il primo è ridimensionarle alle frequenze ottiche e dimostrare componenti fotonici come isolatori e modulatori con prestazioni migliori rispetto alle loro controparti convenzionali. Il passo successivo sarebbe costruirli utilizzando materiali sintonizzabili per realizzare circuiti ottici riconfigurabili.

"Stiamo anche avviando un progetto per estendere questo concetto dal dominio elettromagnetico alle onde acustiche o fononiche, per abilitare materiali con nuove proprietà per il controllo delle vibrazioni, propagazione del suono, e trasporto di calore".

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