Forskare. under ledning av finska Aalto University, uppges ha gjort ett genombrott inom fotonik- och mikrovågsteknik som innebär ett betydande steg framåt för att eliminera behovet av skrymmande magneter i tillämpningar för telekommunikation.
En internationellt forskargrupp under ledning av finska Aalto University har hittat ett nytt och enkelt sätt att bryta mot regeln för reciprocitet i den elektromagnetiska världen genom att med tidsmässigt jämna mellanrum ändra materialets egenskaper. Genombrottet kan enligt forskarna hjälpa till att skapa effektiva icke-reciprocitiva enheter, som kompakta isolatorer och cirkulatorer, som behövs för nästa generations mikrovågs- och optiska kommunikationssystem.
Elektromagnetiska signaler som sprider sig mellan två källor regleras alltid av principen för reciprocitet som säger att om signalen från källa A kan tas emot av källa B, kan signalen från källa B också tas emot av källa A med lika effektivitet.
Forskare från Aalto University, Stanford University och Swiss Federal Institute of Technology i Lausanne (EPFL) har framgångsrikt visat att principen om reciprocitet kan brytas om mediets egenskaper periodvis förändras över tid. Mediet för vågutbredning avser ett material där ljus- och elektromagnetiska vågor ”överlever” och sprids från en punkt till en annan.
Teamet visade teoretiskt att om mediet formas till en asymmetrisk struktur och dess fysiska egenskap varierar globalt över tid, kan signalen som genereras av källa A tas emot av källa B men inte tvärtom. Detta skapar en stark icke-reciprok effekt, eftersom signalen från källa B inte kan tas emot av källa A.
– Detta är en viktig milstolpe inom både fysik- och ingenjörsområdet. Vi behöver enkelriktad ljustransmission för en mängd olika tillämplingar, såsom för att stabilisera laseroperationer eller utforma framtida kommunikationssystem, såsom full-duplexsystem med ökad kanalkapacitet, säger postdoktorforskare Xuchen Wang från Aalto University.
Tidigare krävdes det att man skapade en förspänning med hjälp av externa magneter för att skapa en icke-reciprok effekt. Det gjorde enheterna skrymmande, instabila i temperatur och ibland även icke-kompatibla med andra komponenter. De nya resultaten ger det enklaste och mest kompakta sättet att bryta elektromagnetisk reciprocitet utan behov av skrymmande och tunga magneter.
– Sådana här ”time only”-variationer gör det möjligt för oss att konstruera enkla och kompakta materialplattformar med envägsljusöverföring och till och med förstärkning, säger Xuchen.
Resultaten har rapporterats i Physical Review Letters den 22 december 2020. Studien har fått finansiering från Finlands Akademi, Europeiska unionens Horizon 2020 Future Emerging Technologies call (FETOPEN – RIA) under projektet VISORSURF, Finlands stiftelse för teknikfrämjande, och US Air Force Office of Scientific Research MURI-projekt (bidrag nr FA9550-18-1-0379).
Länk till artikeln
X. Wang, G. Ptitcyn, V. S. Asadchy, A. Díaz-Rubio, M. S. Mirmoosa, Shanhui Fan, and S. A. Tretyakov: Nonreciprocity in Bianisotropic Systems with Uniform Time Modulation. Phys. Rev. Lett. 125, 266102
