Teoria sähkömagneettisten aaltojen uusille sovelluksille

University of Wisconsin-Madisonin sähköinsinöörit ovat kehittäneet uuden perustavanlaatuisen ymmärryksen, joka jonain päivänä voisi johtaa laajaan parannukseen laitteissa, jotka operoivat millä tahansa aallonpituudella.

Kun sähkömagneettisesti säteilevä energia, kuten valo, törmää minkä tahansa partikkelin kanssa, hiukkanen sirottaa sitä. Vastaavasti laitteen, kuten antennin poikkileikkaus määrittää, kuinka paljon se sirottaa sitä sähkömagneettista säteilyä, jota se voi havaita.

"Kyseessä on perustavanlaatuinen laki, joka ohjaa sirontavoimakkuuksia ja sen suhteita aallonpituuksiin", sanoo tutkimusta vetänyt professori Zongfu Yu. "Siksi esimerkiksi matkapuhelimen antenni on tietyn kokoinen, emmekä voi pienentää sitä."

Tutkimuksessaan Yu ja hänen avustajat osoittivat uuden lähestymistavan resonoivan sähkömagneettisen sironnan poikkileikkauksen parantamiseksi yli tuhatkertaisesti. Mikä tekee sen mahdolliseksi, on hiljattain löydetty valon topologinen ominaisuus, joka voi muuttaa dramaattisesti valonsironnan manipulointia.

"Tämän seurauksena voimme purkaa aallonpituuden ja poikkileikkauksen välisen suhteen", toteaa Yu yliopistonsa tiedotteessa.

Taajuus, aaltovektori, polarisaatio ja vaihe ovat perustavanlaatuisia ominaisuuksia, joita käytetään usein kuvaamaan fotonijärjestelmää, sanoo Kiinan tiedeakatemian ja Beijing National Laboratoryn professori Ling Lu.

"Viime vuosina topologia on noussut yhdeksi välttämättömäksi vapauden tasoksi, mikä avaa tien kohti pohjimmiltaan uusille valon tiloille ja mahdollisille vallankumouksellisille sovelluksille", toteaa Lu.

Topologisella fotoniikalla voisi olla sovelluksia aloilla, jotka tarvitsevat keskitetyn valon pienellä alueella, kuten lääketieteellisellä kuvantamisella, valoilmaisimilla, radiotaajuisella sotilastietoliikenteellä ja muilla.

"Sitä voidaan myös laajentaa sähköisiin ja akustisiin järjestelmiin, koska ne kaikki ovat aaltoja", kertoo tutkimuspaperin johtava kirjoittaja Ming Zhou (kuvassa esimerkkeineen). "Tämä topologia voi muuttaa joitakin erittäin tärkeitä asioita, jotka olemme ymmärtäneet jo vuosia."

Tutkimusartikkeli Electromagnetic scattering laws in Weyl systems löytyy kokonaisuudessaan Nature Communications -lehden artikkeliosoitteesta.