un, un'onda elettromagnetica in arrivo viaggia in un mezzo illimitato con una permittività isotropa. B, cambiando rapidamente la permittività del mezzo nel tempo da isotropa ad anisotropa (con la componente x della permittività più piccola della sua componente z) viene introdotto un confine temporale che produce onde avanti e indietro (equivalenti alla trasmissione e alla riflessione all'interfaccia tra due media nel dominio spaziale). In questa situazione la direzione del vettore d'onda rimane la stessa mentre la propagazione dell'energia cambia direzione seguendo la direzione del vettore di Poynting S, eventualmente raggiungere il ricevitore 2 (Rx2). C, un approccio simile può essere applicato ingegnerizzando opportunamente la funzione temporale della permittività per consentire il reindirizzamento dell'onda elettromagnetica trasmessa verso Rx1. d-e, Istantanee dei risultati della simulazione per le distribuzioni di potenza a volte prima e dopo che la permittività è cambiata da isotropica ad anisotropica in tempo reale, rispettivamente, dimostrando come l'energia cambia direzione:mira temporale. Credito:Victor Pacheco-Peña e Nader Engheta
L'adattamento e la manipolazione della propagazione delle onde elettromagnetiche è stato di grande interesse all'interno della comunità scientifica per molti decenni. In tale contesto, la propagazione dell'onda è stata ingegnerizzata introducendo opportunamente disomogeneità spaziali lungo il percorso in cui si muove l'onda. Antenne e sistemi di comunicazione in generale hanno tratto grandi benefici da questo controllo della materia d'onda. Ad esempio, se è necessario reindirizzare il campo irradiato (informazione) da un'antenna (trasmettitore) nella direzione desiderata e raggiungere un'antenna ricevente posta in una posizione diversa, si può semplicemente porre il primo in una fase di traslazione e guidare meccanicamente la propagazione dell'onda elettromagnetica emessa.
Tali tecniche di orientamento del raggio hanno notevolmente contribuito al puntamento spaziale dei bersagli in applicazioni quali radar e sistemi di comunicazione punto-punto. L'orientamento del fascio può essere ottenuto anche utilizzando metamateriali e metasuperfici mediante il controllo spaziale dei parametri elettromagnetici effettivi di un sistema di antenne a lenti metalliche progettato e/o utilizzando metasuperfici riconfigurabili. La prossima domanda da porsi:potremmo spingere i limiti delle attuali applicazioni di orientamento del raggio controllando le proprietà elettromagnetiche dei media non solo nello spazio ma anche nel tempo (cioè, metamateriali 4-D x, si, z, T)? In parole d'ordine, sarebbe possibile ottenere il puntamento temporale delle onde elettromagnetiche?
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , Victor Pacheco-Peña della Scuola di Matematica, Statistica e Fisica dell'Università di Newcastle nel Regno Unito e Nader Engheta del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi dell'Università della Pennsylvania, Gli Stati Uniti hanno risposto a questa domanda proponendo l'idea di metamateriali temporali che cambiano da un tensore di permittività isotropo a uno anisotropo. In questo concetto, gli autori considerano un rapido cambiamento della permittività dell'intero mezzo in cui l'onda viaggia e hanno dimostrato sia numericamente che analiticamente gli effetti di tale confine temporale causato dal rapido cambiamento temporale della permittività. Così facendo, le onde avanti e indietro sono prodotte con il vettore d'onda k conservato durante l'intero processo mentre la frequenza viene modificata, a seconda dei valori del tensore di permittività prima e dopo la variazione temporale della permittività.
interessante, i risultati teorici degli autori mostrano anche come la direzione della propagazione dell'energia (definita dal vettore di Poynting S) sia diversa da quella del numero d'onda, portando alla direzione del raggio in tempo reale dell'energia elettromagnetica, un fenomeno che gli autori hanno chiamato Temporal goaling come l'analogo temporale del beaming spaziale. Tutti i calcoli numerici riportati sono in ottimo accordo con i calcoli analitici. Come commentano gli autori:
"In questo studio forniamo un'analisi approfondita della fisica sottostante a tale approccio di puntamento temporale ottenuto modificando rapidamente la permittività del mezzo contenente l'onda, da valori isotropi ad anisotropi. Come risultato entusiasmante, siamo stati in grado di estrarre una formula analitica e semplice chiusa per la nuova direzione di propagazione dell'energia dell'onda elettromagnetica già presente."
"Vi presentiamo uno studio dettagliato che considera le onde monocromatiche sotto diversi angoli di incidenza obliqui insieme a onde elettromagnetiche incidenti più complesse come i fasci gaussiani".
"Poiché questa mira temporale ci consente di cambiare arbitrariamente la direzione della propagazione dell'energia in tempo reale, potrebbe aprire nuove possibilità per il governo del fascio in tempo reale. Forniamo un esempio numerico di una singola antenna trasmittente e tre ricevitori posizionati in diverse posizioni spaziali. Il nostro esempio dimostra come l'onda elettromagnetica trasmessa possa raggiungere uno qualsiasi dei tre ricevitori semplicemente progettando una permittività del mezzo dipendente dal tempo seguendo una funzione quadrata:isotropica—anisotropica—isotropica".
"La tecnica presentata ha il potenziale per aprire nuove possibilità per il routing delle informazioni nei sistemi fotonici integrati implementando metamateriali temporali in grado di deviare le onde elettromagnetiche guidate verso un obiettivo/direzione desiderati su un chip", prevedono gli scienziati.
