a, en inkommande elektromagnetisk våg färdas i ett obegränsat medium med en isotrop permittivitet. b, genom att snabbt ändra mediets permittivitet i tid från isotrop till en anisotrop tensor (med permittivitetens x-komponent mindre än dess z-komponent) introduceras en tidsgräns som producerar framåt- och bakåtvågor (motsvarande transmission och reflektion i gränssnittet mellan två media i den rumsliga domänen). I denna situation förblir riktningen för vågvektorn densamma medan energiutbredningen ändrar sin riktning efter riktningen för Poynting-vektorn S, når så småningom mottagare 2 (Rx2). c, ett liknande tillvägagångssätt kan tillämpas genom att korrekt konstruera den tidsmässiga funktionen av permittivitet för att tillåta den sända elektromagnetiska vågen att omdirigeras mot Rx1. d-e, Ögonblicksbilder av simuleringsresultaten för effektfördelningarna vid tidpunkter före och efter att permittiviteten ändras från isotropisk till anisotropisk i realtid, respektive, visar hur energin ändrar sin riktning:tidsmässig sikte. Kredit:Victor Pacheco-Peña och Nader Engheta
Att skräddarsy och manipulera elektromagnetisk vågutbredning har varit av stort intresse inom forskarvärlden i många decennier. I detta sammanhang, vågutbredning har konstruerats genom att korrekt införa rumsliga inhomogeniteter längs vägen där vågen färdas. Antenner och kommunikationssystem i allmänhet har haft stor nytta av denna vågmateriakontroll. Till exempel, om man behöver omdirigera det utstrålade fältet (informationen) från en antenn (sändaren) till en önskad riktning och nå en mottagande antenn placerad på en annan plats, man kan helt enkelt placera den förra i ett translationssteg och mekaniskt styra utbredningen av den emitterade elektromagnetiska vågen.
Sådana strålstyrningstekniker har i hög grad bidragit till den rumsliga inriktningen av mål i applikationer som radar och punkt-till-punkt kommunikationssystem. Strålstyrning kan också uppnås med hjälp av metamaterial och metasytor genom rumslig styrning av de effektiva elektromagnetiska parametrarna i ett designat meta-lins antennsystem och/eller genom att använda omkonfigurerbara meta-ytor. Nästa fråga att ställa:Kan vi tänja på gränserna för aktuella strålstyrningsapplikationer genom att kontrollera medias elektromagnetiska egenskaper inte bara i rymden utan också i tiden (d.v.s. 4-D metamaterial x, y, z, t)? I ordningsföljd, skulle det vara möjligt att uppnå tidsmässig inriktning av elektromagnetiska vågor?
I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , Victor Pacheco-Peña från Mathematics School, Statistik och fysik vid Newcastle University i Storbritannien och Nader Engheta från och Department of Electrical and Systems Engineering vid University of Pennsylvania, USA har svarat på denna fråga genom att föreslå idén om temporala metamaterial som ändras från en isotropisk till en anisotrop permittivitetstensor. I detta koncept, författarna överväger en snabb förändring av permittiviteten för hela mediet där vågen färdas och demonstrerade både numeriskt och analytiskt effekterna av en sådan tidsgräns orsakad av den snabba temporala förändringen av permittivitet. Därvid, framåt- och bakåtvågor produceras med vågvektorn k bevarad genom hela processen medan frekvensen ändras, beroende på värdena för permittivitetstensorn före och efter den tidsmässiga förändringen av permittiviteten.
Intressant, författarnas teoretiska resultat visar också hur riktningen för energiutbredningen (definierad av Poynting-vektorn S) skiljer sig från vågtalets, leder till strålstyrning i realtid av elektromagnetisk energi, ett fenomen som författarna kallade Temporal aiming som den tidsmässiga analogen till den rumsliga strålningen. Alla de rapporterade numeriska beräkningarna överensstämmer utmärkt med analytiska beräkningar. Som författarna kommenterar:
"I den här studien tillhandahåller vi en djupgående analys av den underliggande fysiken bakom en sådan tidsmässig inriktning som uppnås genom att snabbt ändra permittiviteten hos mediet som innehåller vågen, från isotropa till anisotropa värden. Som ett spännande resultat, vi kunde extrahera en sluten analytisk och enkel formel för den nya riktningen för energiutbredning av den redan närvarande elektromagnetiska vågen."
"Vi presenterar en detaljerad studie som överväger monokromatiska vågor under olika sneda infallsvinklar tillsammans med mer komplexa infallande elektromagnetiska vågor som gaussiska strålar."
"Eftersom denna tidsmässiga inriktning tillåter oss att godtyckligt ändra riktningen för energiutbredning i realtid, det kan öppna nya möjligheter för strålstyrning i realtid. Vi tillhandahåller ett numeriskt exempel på en enda sändarantenn och tre mottagare placerade på olika rumsliga platser. Vårt exempel visar hur den utsända elektromagnetiska vågen kan nå någon av de tre mottagarna genom att helt enkelt konstruera en tidsberoende permittivitet för mediet efter en kvadratisk funktion:isotropisk—anisotrop—isotropisk”.
"Den presenterade tekniken har potential att öppna nya möjligheter för dirigering av information i integrerade fotoniska system genom att implementera temporala metamaterial som kan avleda de styrda elektromagnetiska vågorna till ett önskat mål/riktning på ett chip", förutspår forskarna.
