Прямое наблюдение идеальных электромагнитных жидкостей

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4747 (2022) Цитировать эту статью

2444 доступа

4 цитаты

27 Альтметрика

Подробности о метриках

Среды с индексом, близким к нулю (NZI), теоретически идентифицируются как среды, в которых электромагнитное излучение ведет себя как идеальные электромагнитные жидкости. В средах NZI поток электромагнитной энергии подчиняется уравнениям, аналогичным уравнениям движения поля скоростей в идеальной жидкости, так что оптическая турбулентность по своей сути подавляется. Здесь мы экспериментально наблюдаем распределение потока электромагнитной энергии такой идеальной электромагнитной жидкости, распространяющейся внутри волновода с отсечкой, с помощью полуаналитического метода реконструкции. Этот метод обеспечивает прямое доказательство подавления электромагнитной завихренности на частоте НЗИ даже при наличии сложных препятствий и топологических изменений в волноводе. Также наблюдаются фазовая однородность и пространственно-статическое распределение поля, являющиеся важными характеристиками материалов НЗИ. Измерение той же структуры за пределами частотного диапазона NZI показывает наличие вихрей в потоке энергии, как и ожидалось для обычных оптических систем. Таким образом, наши результаты обеспечивают важный шаг вперед в разработке идеальных электромагнитных жидкостей и представляют инструмент для изучения субволнового поведения сред NZI, включая полностью векторную и фазовую информацию.

В последние годы наблюдается всплеск интереса к парадоксальным физическим явлениям, происходящим в средах с околонулевым индексом (NZI)1. Из-за бесконечно растянутой длины волны и пространственно-статических полей электродинамика внутри сред NZI приводит к ряду физических эффектов, в которых некоторые наблюдаемые не зависят от геометрии системы. Популярные примеры включают суперсвязь2,3,4,5,6, деформируемые электромагнитные резонаторы7, фотонное легирование8,9,10,11 и усиление пространственной когерентности тепловых полей12. Эта экзотическая физика также открывает возможности для многочисленных технологических приложений в широком спектре от радио до оптических частот, включая антенны13,14,15,16, линзы17,18,19 и компоненты с повышенной оптической нелинейностью20,21,22,23,24. Основной механизм объясняется развязкой между пространственными (волновыми числами) и временными (частотами) вариациями электромагнитных полей, что приводит к пространственно-статическому, но временно-динамическому распределению полей25. Для экспериментальной проверки этих свойств параметры рассеяния измеряются в зависимости от спектральных или угловых изменений при деформации геометрии сред NZI26,27,28. Однако локальные и/или субволновые детали распределения поля в средах NZI изучены гораздо меньше. Исключения включают прямое наблюдение стоячих волн29 и независимость катодолюминесценции от положения в волноводах NZI30. В обоих случаях эксперимент получает скалярное изображение амплитуды вдоль прямого волновода. Однако в рамках нетривиальных геометрий не существует характеристики векторного характера распределений полей в средах НЗИ, т. е. информации о фазе и амплитуде.

Локальные и субволновые детали распределения поля внутри среды NZI представляют собой богатую физику. Например, локальный поток электромагнитной энергии, представленный векторным полем Пойнтинга, внутри среды NZI математически эквивалентен полю скорости, возникающему в идеальной жидкости31. Как следствие, оптическая турбулентность естественным образом подавляется в средах NZI, подавляя любую завихренность в потоке энергии. Распространение света в среде NZI можно понимать как электромагнитную идеальную жидкость, электромагнитный эквивалент невязкой, несжимаемой и безвихревой жидкости.

В этой статье мы сообщаем об экспериментальной демонстрации идеальных электромагнитных жидкостей на микроволновых частотах с использованием дисперсионного прямоугольного волновода на его граничной частоте (рис. 1), действующего как эпсилон-околонулевая (ENZ) структура, которая представляет собой особый вид Среда НЗИ. Такие дисперсионные волноводы имеют меньшие потери, чем настоящие материалы ENZ32,33,34. Используя эту платформу, мы можем создавать нетривиальные геометрии, включая деформацию и блокировку пути прямого распространения между входными и выходными портами, что способствует оптической турбулентности. Топология геометрии дополнительно модифицируется за счет введения в такие волноводы диэлектрических частиц. Более того, мы разрабатываем специальную процедуру поиска, которая позволяет напрямую отображать поля внутри волновода с использованием полностью векторной информации, включая фазу и амплитуду, на основе только поверхностных измерений. Такой метод имеет незначительные помехи исходному полю внутри резонатора и может быть использован в различных приложениях фотоники. Результаты экспериментов подтверждают, что в условиях ENZ ни сильные деформации каналов, ни наличие включений не вызывают завихрений в потоке электромагнитной энергии, а вихри наблюдаются при работе вдали от состояния ENZ. Наши результаты экспериментально демонстрируют аналогию между идеальной жидкостью и потоком электромагнитной энергии в средах NZI. Этот вывод является важным шагом вперед в разработке идеальных электромагнитных жидкостей, обеспечивает физическое понимание эффекта суперсвязи и открывает перспективы для приложений в области распространения света внутри волноводов.