Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har replikerat en av de mest kända elektromagnetiska effekterna inom fysik, hallseffekten, använder radiovågor (fotoner) istället för elektrisk ström (elektroner). Deras teknik kan användas för att skapa avancerade kommunikationssystem som ökar signalöverföringen i en riktning samtidigt som de absorberar signaler som går i motsatt riktning.

Hall -effekten, upptäcktes 1879 av Edwin Hall, uppstår på grund av interaktionen mellan laddade partiklar och elektromagnetiska fält. I ett elektriskt fält, negativt laddade partiklar (elektroner) upplever en kraft motsatt fältets riktning. I ett magnetfält, rörliga elektroner upplever en kraft i riktningen vinkelrät mot både deras rörelse och magnetfältet. Dessa två krafter kombineras i Hall -effekten, där vinkelräta elektriska och magnetiska fält kombineras för att generera en elektrisk ström. Ljuset laddas inte, så vanliga elektriska och magnetiska fält kan inte användas för att generera en analog "ljusström". Dock, i en ny tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , forskare har gjort exakt detta med hjälp av vad de kallar "syntetiska elektriska och magnetiska fält".

Huvudutredaren Gaurav Bahls forskargrupp har arbetat med flera metoder för att förbättra radio- och optisk dataöverföring samt fiberoptisk kommunikation. Tidigare i år, gruppen utnyttjade en interaktion mellan ljus och ljudvågor för att undertrycka spridning av ljus från materialdefekter och publicerade sina resultat i Optica . År 2018, teammedlem Christopher Peterson var huvudförfattare i ett Science Advances -dokument som förklarade en teknik som lovar att halvera den bandbredd som behövs för kommunikation genom att låta en antenn skicka och ta emot signaler på samma frekvens samtidigt genom en process som kallas icke -ömsesidig koppling.

I den aktuella studien, Peterson har tillhandahållit en annan lovande metod för att riktat styra dataöverföring med en princip som liknar Hall Effect. Istället för en elektrisk ström, laget genererade en "ljusström" genom att skapa syntetiska elektriska och magnetiska fält, som påverkar ljus på samma sätt som de normala fälten påverkar elektroner. Till skillnad från konventionella elektriska och magnetiska fält, dessa syntetiska fält skapas genom att variera strukturen som ljus sprider sig genom i både rum och tid.

"Även om radiovågor inte bär laddning och därför inte upplever krafter från elektriska eller magnetiska fält, fysiker har vetat i flera år att likvärdiga krafter kan produceras genom att begränsa ljus i strukturer som varierar i rum eller tid, "Peterson förklarade." Förändringstakten för strukturen i tid är effektivt proportionell mot det elektriska fältet, och förändringstakten i rymden är proportionell mot magnetfältet. Även om dessa syntetiska fält tidigare betraktades separat, vi visade att deras kombination påverkar fotoner på samma sätt som den påverkar elektroner. "

Genom att skapa en specialdesignad krets för att förbättra samspelet mellan dessa syntetiska fält och radiovågor, laget utnyttjade Hall Effect -principen för att öka radiosignaler som går åt ena hållet, öka sin styrka, samtidigt som de stoppar och absorberar signaler som går åt andra hållet. Deras experiment visade att med rätt kombination av syntetiska fält, signaler kan överföras genom kretsen mer än 1000 gånger lika effektivt i en riktning än i motsatt riktning. Deras forskning kan användas för att producera nya enheter som skyddar källor till radiovågor från potentiellt skadliga störningar, eller som hjälper till att säkerställa att känsliga kvantmekaniska mätningar är korrekta. Teamet arbetar också med experiment som utvidgar konceptet till andra typer av vågor, inklusive ljusa och mekaniska vibrationer, som de ser ut att etablera en ny klass av enheter baserade på att applicera Hall -effekten utanför dess ursprungliga domän.