(Phys.org)—Fysiker har demonstrerat ett nytt läge för elektromagnetisk våg som kallas en "linjevåg, " som färdas längs en oändligt tunn linje längs gränssnittet mellan två intilliggande ytor med olika elektromagnetiska egenskaper. Forskarna förväntar sig att linjevågor kommer att vara användbara för effektiv dirigering och koncentration av elektromagnetisk energi, med potentiella tillämpningar inom områden som integrerad fotonik, ljus-materia interaktioner, och kiral kvantoptik.

Forskarna, Dia'aaldin J. Bisharat vid City University of Hong Kong och University of California, San Diego, och Daniel F. Sievenpiper vid University of California, San Diego, har publicerat ett papper om deras demonstration av linjevågor i ett nyligen numret av Fysiska granskningsbrev .

"De är de första elektromagnetiska vågorna som visar sig styras av en oändlig ettdimensionellt föremål, " berättade Sievenpiper Phys.org . "Vågledaren är inget annat än en linje, som är ett gränssnitt mellan två intilliggande ark eller plan. Detta leder också till en mycket hög fältkoncentration, och de elektromagnetiska fälten har faktiskt en singularitet vid linjen, vilket betyder att de närmar sig oändligheten i den matematiska gränsen. Självklart, i äkta material med begränsad tjocklek, fälten kan inte vara oändliga, men de kan fortfarande vara väldigt koncentrerade."

Som fysikerna förklarar, de nya elektromagnetiska linjevågorna påminner om elektromagnetiska ytvågor, som uppstår i gränsytan mellan två olika typer av ytor som läggs ovanpå varandra. Ytvågor kan användas för att starkt begränsa och styra ljus, vilket gör dem användbara för energiöverföring och kommunikationstillämpningar.

Linjevågor liknar ytvågor genom att de också är begränsade till gränsytan mellan två ytor, men med linjevågor läggs ytorna sida vid sida, begränsar gränssnittet till en linje. Nyckeln till att realisera linjevågor är att en av ytorna är induktiv medan den andra är kapacitiv. Medan den induktiva ytan stöder tvärgående magnetiska polariserade vågor, den kapacitiva ytan stöder tvärgående elektriska polariserade vågor. När de två yttyperna placeras sida vid sida, dessa två olika gränser stödjer linjevågor vid gränssnittet. En annan viktig egenskap hos linjevågor, som fysikerna förklarar, är att de naturligt förhindrar backscattering.

"Linjevågor har också en annan speciell egenskap, vilket är att motsatta polarisationer bara kan fortplanta sig i motsatta riktningar, ", sa Sievenpiper. "Detta betyder att defekter i linjen inte kan sprida vågor tillbaka mot källan, så denna typ av vågledare förhindrar naturligtvis oönskade reflektioner. Detta liknar de nyligen utvecklade fotoniska topologiska isolatorerna, men linjevågor har vissa fördelar som bredare bandbredd, och de tillåter enklare tillverkning."

Forskarna demonstrerade linjevågor i experiment och simuleringar genom att använda periodiska metasytor, och de förväntar sig att de skulle kunna öka räckvidden ytterligare genom att använda andra material. En möjlighet är grafen, som kan utformas för att vara antingen en induktiv yta eller en kapacitiv yta beroende på dess dopningsnivå.

För att demonstrera kontrollen av linjevågor, fysikerna visade i simuleringar hur linjevågor kan styras längs krökta banor och dirigeras för att göra skarpa svängar. Denna förmåga att begränsa och transportera elektromagnetisk energi på ett kontrollerat sätt kommer sannolikt att vara användbar för att bygga nätverksenheter och integrerade fotonikapplikationer, som forskarna planerar att undersöka ytterligare i framtiden.

"Linjevågor kan användas för integrerade optiska vågledare, till exempel, ", sade Sievenpiper. "Deras höga fältkoncentration kan möjliggöra optiska modulatorer med högre prestanda eller känsliga kemiska detektorer. Det faktum att de stöder envägsutbredning med försumbar backspridning kan möjliggöra optiska isolatorer eller cirkulatorer. Om de görs med material som grafen, linjevågledare kan vara elektriskt omkonfigurerbara, leder till fältprogrammerbara optiska kretsar."

I framtiden, forskarna planerar att arbeta med att förverkliga den här typen av optiska kretsar.

"Vi startar två nya projekt baserade på linjevågor. Det första är att skala ner dem till optiska frekvenser och demonstrera fotoniska komponenter som isolatorer och modulatorer med bättre prestanda än sina konventionella motsvarigheter. Nästa steg efter det skulle vara att bygga dem med hjälp av avstämbara material för att göra omkonfigurerbara optiska kretsar.

"Vi startar också ett projekt för att utöka detta koncept från den elektromagnetiska domänen till akustiska eller fononvågor, för att möjliggöra material med nya egenskaper för att kontrollera vibrationer, ljudutbredning, och värmetransport."

© 2017 Phys.org