이상적인 전자기유체를 직접 관찰

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4747(2022) 이 기사 인용

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NZI(Near-Zero-Index) 매체는 이론적으로 전자기 복사가 이상적인 전자기 유체처럼 거동하는 매체로 식별되었습니다. NZI 매체 내에서 전자기력 흐름은 이상적인 유체의 속도 장에 대한 운동 방정식과 유사한 방정식을 따르므로 광학 난류가 본질적으로 억제됩니다. 여기에서는 반분석적 재구성 기술을 통해 차단 도파관 내에서 전파되는 이상적인 전자기 유체의 전자기 전력 흐름 분포를 실험적으로 관찰합니다. 이 기술은 도파관에 복잡한 장애물과 토폴로지 변화가 있는 경우에도 NZI 주파수에서 전자기 와도 억제에 대한 직접적인 증거를 제공합니다. NZI 재료의 필수 특성인 위상 균일성과 공간적으로 정적 필드 분포도 관찰됩니다. NZI 주파수 범위 밖에서 동일한 구조를 측정하면 기존 광학 시스템에서 예상되는 것처럼 전력 흐름에 소용돌이가 존재하는 것으로 나타났습니다. 따라서 우리의 결과는 이상적인 전자기 유체 개발에 중요한 진전을 제공하고 완전한 벡터 및 위상 정보를 포함하여 NZI 매체의 하위 파장 동작을 탐색하는 도구를 소개합니다.

최근 몇 년 동안 NZI(Near-Zero Index) 미디어1에서 발생하는 반직관적인 물리적 현상에 대한 관심이 급증했습니다. 무한히 늘어난 파장과 공간적으로 정적인 장으로 인해 NZI 매체 내부의 전기역학은 일부 관측 가능 항목이 시스템의 기하학적 구조와 무관한 일련의 물리적 효과를 초래합니다. 널리 사용되는 예로는 슈퍼커플링2,3,4,5,6, 변형 가능한 전자기 공진기7, 광자 도핑8,9,10,11 및 열장의 공간 일관성 향상12이 있습니다. 이러한 이국적인 물리학은 또한 안테나13,14,15,16, 렌즈17,18,19 및 향상된 광학 비선형성20,21,22,23,24을 포함하여 라디오에서 광 주파수까지 광범위한 스펙트럼에서 수많은 기술 응용 프로그램을 강화합니다. 기본 메커니즘은 전자기장의 공간적(파수) 변화와 시간적(주파수) 변화 사이의 분리에 기인하며 공간적으로는 정적이지만 시간적으로는 역학적인 필드 분포로 이어집니다. 이러한 특성에 대한 실험적 검증을 위해 산란 매개변수는 NZI 매체의 기하학적 변형에 따른 스펙트럼 또는 각도 변화와 관련하여 측정됩니다. 그러나 NZI 미디어 내 필드 분포의 로컬 및/또는 하위 파장 세부 사항은 훨씬 덜 연구되었습니다. 예외에는 정재파29의 직접 관찰과 NZI 도파관30내 음극 발광의 위치 독립성이 포함됩니다. 두 경우 모두 실험에서는 직선 도파관을 따라 진폭의 스칼라 이미지를 검색합니다. 그러나 NZI 매체 내 필드 분포의 벡터 특성(예: 중요한 기하학적 구조 내 위상 및 진폭 정보)에 대한 특성은 없습니다.

NZI 미디어 내부 필드 분포의 로컬 및 하위 파장 세부 정보는 풍부한 물리학을 제공합니다. 예를 들어, NZI 매체 내부의 포인팅 벡터 필드로 표시되는 로컬 전자기 전력 흐름은 이상적인 유체에서 발생하는 속도 필드와 수학적으로 동일합니다. 결과적으로 NZI 매체에서는 광학적 난류가 본질적으로 억제되어 전력 흐름의 소용돌이를 억제합니다. NZI 매질 내에서의 빛 전파는 전자기적 이상유체, 즉 비점성, 비압축성, 비회전성 유체의 전자기적 등가물로 이해될 수 있습니다.

이 논문에서 우리는 차단 주파수(그림 1)에서 분산형 직사각형 도파관을 사용하여 마이크로파 주파수에서 이상적인 전자기 유체에 대한 실험적 시연을 보고합니다. 이는 ENZ(epsilon-near-zero) 구조로 작동합니다. NZI 매체. 이러한 분산형 도파관은 실제 ENZ 재료보다 손실이 적습니다. 이 플랫폼을 사용하여 입력 포트와 출력 포트 사이의 직접 전파 경로의 변형 및 막힘을 포함하여 광 난류를 선호하는 중요한 형상을 구축할 수 있습니다. 기하학의 토폴로지는 그러한 도파관에 유전체 입자를 도입함으로써 추가로 수정됩니다. 또한 우리는 표면 측정만을 기반으로 위상과 진폭을 포함하는 완전한 벡터 정보를 사용하여 도파관 내부 필드를 직접 매핑할 수 있는 전용 검색 절차를 개발합니다. 이러한 방법은 공동 내의 원래 필드에 대한 간섭을 무시할 수 있으며 다양한 포토닉스 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 실험 결과는 ENZ 조건에서 채널의 심한 변형이나 개재물의 존재가 전자기 전력 흐름에 와류를 유발하지 않는 반면, ENZ 조건에서 벗어나 작동할 때 와류가 관찰된다는 것을 확인합니다. 우리의 결과는 NZI 매체의 이상적인 유체와 전자기 전력 흐름 간의 유사성을 실험적으로 보여줍니다. 이 결론은 이상적인 전자기 유체 개발에 있어서 중요한 진전이며, 슈퍼커플링 효과에 대한 물리적 통찰력을 제공하고, 도파관 내의 빛 전파 분야 내 응용 분야에 대한 관점을 열어줍니다.