a, una onda electromagnética entrante viaja en un medio ilimitado con una permitividad isotrópica. B, Al cambiar rápidamente la permitividad del medio en el tiempo de isotrópico a un tensor anisotrópico (con el componente x de la permitividad más pequeño que su componente z), se introduce un límite temporal que produce ondas hacia adelante y hacia atrás (equivalente a la transmisión y la reflexión en la interfaz entre dos medios en el dominio espacial). En esta situación, la dirección del vector de onda permanece igual mientras que la propagación de energía cambia su dirección siguiendo la dirección del vector de Poynting S, llegando finalmente al receptor 2 (Rx2). C, se puede aplicar un enfoque similar mediante la ingeniería adecuada de la función temporal de la permitividad para permitir que la onda electromagnética transmitida se redirija hacia Rx1. Delaware, Instantáneas de los resultados de la simulación para las distribuciones de potencia en momentos antes y después de que la permitividad se cambie de isotrópica a anisotrópica en tiempo real, respectivamente, demostrando cómo la energía cambia de dirección:puntería temporal. Crédito:Victor Pacheco-Peña y Nader Engheta
Adaptar y manipular la propagación de ondas electromagnéticas ha sido de gran interés dentro de la comunidad científica durante muchas décadas. En este contexto, La propagación de ondas se ha diseñado introduciendo de forma adecuada inhomogeneidades espaciales a lo largo del camino por donde viaja la onda. Las antenas y los sistemas de comunicaciones en general se han beneficiado enormemente de este control de materia de ondas. Por ejemplo, si uno necesita redirigir el campo radiado (información) desde una antena (transmisor) a una dirección deseada y alcanzar una antena receptora colocada en una ubicación diferente, simplemente se puede colocar el primero en una etapa de traslación y dirigir mecánicamente la propagación de la onda electromagnética emitida.
Estas técnicas de dirección del haz han contribuido en gran medida a la orientación espacial de los objetivos en aplicaciones como radares y sistemas de comunicación punto a punto. La dirección del haz también se puede lograr usando metamateriales y metasuperficies mediante el control espacial de los parámetros electromagnéticos efectivos de un sistema de antena de meta-lente diseñado y / o usando meta-superficies reconfigurables. La siguiente pregunta que debemos hacernos:¿Podríamos ampliar los límites de las aplicaciones actuales de direccionamiento del haz controlando las propiedades electromagnéticas de los medios no solo en el espacio sino también en el tiempo (es decir, Metamateriales 4-D x, y, z, t)? En otras palabras, ¿Sería posible lograr la orientación temporal de las ondas electromagnéticas?
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , Víctor Pacheco-Peña de la Facultad de Matemáticas, Estadística y Física de la Universidad de Newcastle en el Reino Unido y Nader Engheta del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos ha respondido a esta pregunta proponiendo la idea de metamateriales temporales que cambian de un tensor de permitividad isotrópico a uno anisotrópico. En este concepto, los autores consideran un cambio rápido de la permitividad de todo el medio donde viaja la onda y demostraron tanto numérica como analíticamente los efectos de tal límite temporal causado por el rápido cambio temporal de la permitividad. Al hacerlo, las ondas hacia adelante y hacia atrás se producen con el vector de onda k conservado durante todo el proceso mientras se cambia la frecuencia, dependiendo de los valores del tensor de permitividad antes y después del cambio temporal de permitividad.
Curiosamente, Los resultados teóricos de los autores también muestran cómo la dirección de la propagación de la energía (definida por el vector de Poynting S) es diferente de la del número de onda, que conduce a la dirección del haz en tiempo real de la energía electromagnética, un fenómeno que los autores denominaron Apuntar temporal como el análogo temporal de la emisión espacial. Todos los cálculos numéricos informados están en excelente acuerdo con los cálculos analíticos. Como comentan los autores:
"En este estudio proporcionamos un análisis en profundidad de la física subyacente detrás de tal enfoque de orientación temporal logrado al cambiar rápidamente la permitividad del medio que contiene la onda, de valores isotrópicos a anisotrópicos. Como resultado emocionante, pudimos extraer una fórmula analítica cerrada y simple para la nueva dirección de propagación de energía de la onda electromagnética ya presente ".
"Presentamos un estudio detallado que considera ondas monocromáticas bajo diferentes ángulos de incidencia oblicuos junto con ondas electromagnéticas incidentes más complejas, como los rayos gaussianos".
"Dado que este objetivo temporal nos permite cambiar arbitrariamente la dirección de propagación de la energía en tiempo real, podría abrir nuevas posibilidades para la dirección del haz en tiempo real. Proporcionamos un ejemplo numérico de una sola antena transmisora y tres receptores colocados en diferentes ubicaciones espaciales. Nuestro ejemplo demuestra cómo la onda electromagnética transmitida puede alcanzar cualquiera de los tres receptores simplemente diseñando una permitividad dependiente del tiempo del medio siguiendo una función cuadrada:isotrópica — anisótropa — isótropa ".
"La técnica presentada tiene el potencial de abrir nuevas posibilidades para el enrutamiento de información en sistemas fotónicos integrados mediante la implementación de metamateriales temporales que pueden desviar las ondas electromagnéticas guiadas a un objetivo / dirección deseada en un chip", pronosticaron los científicos.
