En internationell forskargrupp ledd av Aalto-universitetet har hittat en ny och enkel väg för att bryta mot ömsesidighetslagen i den elektromagnetiska världen, genom att regelbundet ändra ett materials egenskaper. Genombrottet kan bidra till att skapa effektiva icke-ömsesidiga enheter, såsom kompakta isolatorer och cirkulatorer, som behövs för nästa generation av mikrovågssystem och optiska kommunikationssystem.

När vi tittar genom ett fönster och ser vår granne på gatan, grannen kan också se oss. Detta kallas ömsesidighet, och det är det vanligaste fysiska fenomenet i naturen. Elektromagnetiska signaler som utbreder sig mellan två källor styrs alltid av ömsesidighetslagar:om signalen från källa A kan tas emot av källa B, då kan signalen från källa B också tas emot av källa A med samma effektivitet.

Forskare från Aalto-universitetet, Stanford University, och det schweiziska federala tekniska institutet i Lausanne (EPFL) har framgångsrikt visat att ömsesidighetslagen kan brytas om förökningsmediets egendom periodvis ändras i tiden. Utbredningsmedium avser ett material där ljus och elektromagnetiska vågor överlever och fortplantar sig från en punkt till en annan.

Teamet visade teoretiskt att, om mediet är format till en asymmetrisk struktur och dess fysiska egenskaper varierar globalt i tiden, signalen som genereras av källa A kan tas emot av källa B men inte tvärtom. Detta skapar en stark icke-ömsesidig effekt, eftersom signalen från källa B inte kan tas emot av källa A.

"Detta är en viktig milstolpe i både fysik- och ingenjörssamhället. Vi behöver enkelriktad ljustransmission för en mängd olika applikationer, som att stabilisera laserdrift eller designa framtida kommunikationssystem, såsom full-duplex-system med ökad kanalkapacitet, säger postdoktor Xuchen Wang från Aalto-universitetet.

Tidigare, skapa en icke-ömsesidig effekt har krävt extern magnetförspänning, vilket gör enheter skrymmande, temperatur instabil, och ibland inkompatibla med andra komponenter. De nya rönen ger det enklaste och mest kompakta sättet att bryta elektromagnetisk ömsesidighet, utan behov av skrymmande och tunga magneter.

"Sådana "bara tidsvariationer" tillåter oss att designa enkla och kompakta materialplattformar som kan envägsljustransmission och till och med förstärka, " förklarar Xuchen.