理想電磁流体を直接観察

Nature Communications volume 13、記事番号: 4747 (2022) この記事を引用

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ニアゼロインデックス (NZI) 媒体は、理論的には、電磁放射が理想的な電磁流体のように動作する媒体として特定されています。 NZI 媒体内では、電磁力の流れは理想流体の速度場の運動方程式と同様の方程式に従い、光学的乱流が本質的に抑制されます。 ここでは、このような遮断導波管内を伝播する理想的な電磁流体の電磁力流分布を半解析的再構成手法により実験的に観察する。 この技術は、導波管内に複雑な障害物やトポロジー変化が存在する場合でも、NZI 周波数での電磁渦度の抑制の直接的な証拠を提供します。 NZI 材料の重要な特性である位相の均一性と空間的静電場の分布も観察されます。 NZI 周波数範囲外で同じ構造を測定すると、従来の光学システムで予想されるように、パワーフローに渦が存在することが明らかになります。 したがって、私たちの結果は、理想的な電磁流体の開発における重要な前進を提供し、完全なベクトル情報と位相情報を含む NZI 媒体のサブ波長挙動を調査するためのツールを導入します。

近年、ニア・ゼロ・インデックス（NZI）メディアで起こっている直観に反する物理現象に対する関心が急増しています1。 無限に伸びる波長と空間的に静的な場により、NZI 媒体内の電気力学は一連の物理的効果をもたらし、一部の観測値はシステムの幾何学的形状に依存しません。 一般的な例には、スーパーカップリング 2、3、4、5、6、変形可能な電磁共振器 7、フォトニック ドーピング 8、9、10、11、および熱場の空間コヒーレンスの強化 12 が含まれます。 これらの珍しい物理学はまた、アンテナ 13、14、15、16、レンズ 17、18、19、および光学非線形性を強化したコンポーネント 20、21、22、23、24 を含む、無線周波数から光周波数までの幅広いスペクトルにおける数多くの技術的応用を可能にします。 根底にあるメカニズムは、電磁場の空間 (波数) 変動と時間 (周波数) 変動の間の分離に起因し、空間的には静的だが時間的には動的な場の分布をもたらします 25。 これらの特性を実験的に検証するために、NZI 媒体の形状の変形下でのスペクトルまたは角度の変化に関して散乱パラメータが測定されます 26、27、28。 しかし、NZI 媒体内の磁場分布の局所的および/またはサブ波長の詳細については、あまり研究されていません。 例外には、定在波の直接観察 29 と NZI 導波路内のカソードルミネッセンスの位置非依存性 30 が含まれます。 どちらの場合も、実験では直線導波路に沿った振幅のスカラー画像が取得されます。 しかし、NZI 媒体内の磁場分布のベクトル特性、つまり非自明な幾何学形状内の位相と振幅情報の特徴付けはありません。

NZI 媒体内の磁場分布の局所的およびサブ波長の詳細は、豊富な物理学を示しています。 たとえば、NZI 媒体内の局所的な電磁力の流れ (ポインティング ベクトル場で表される) は、理想流体内で発生する速度場と数学的に等価です 31。 結果として、NZI 媒体では光乱流が本質的に抑制され、パワーフローの渦度が抑制されます。 NZI 媒体内の光の伝播は、非粘性、非圧縮性、非回転流体の電磁的等価物である電磁理想流体として理解できます。

この論文では、カットオフ周波数で分散方形導波管（図1）を使用し、特定の種類のイプシロンニアゼロ（ENZ）構造として機能する、マイクロ波周波数での理想的な電磁流体の実験的実証を報告します。ニュージーランド産ミディアム。 このような分散導波路は、実際の ENZ 材料よりも損失が小さいことが特徴です 32、33、34。 このプラットフォームを使用すると、入力ポートと出力ポートの間の直接伝播経路の変形や遮断など、光乱流を促進する重要な幾何学形状を構築できます。 このような導波路に誘電体粒子を導入することにより、幾何学的トポロジーがさらに変更されます。 さらに、表面測定のみに基づいて、位相と振幅を含む完全なベクトル情報を使用して導波路内の場の直接マッピングを可能にする専用の検索手順を開発します。 このような方法は、キャビティ内の元の場への干渉が無視できる程度であり、さまざまなフォトニクス用途での使用が可能です。 実験結果は、ENZ 条件下ではチャネルの激しい変形も介在物の存在も電磁力の流れに渦を誘発しない一方、ENZ 条件から離れた動作では渦が観察されることを確認しました。 私たちの結果は、NZI​​ 媒体における理想的な流体と電磁力の流れの間の類似性を実験的に示しています。 この結論は、理想的な電磁流体の開発における重要な前進であり、超結合効果に対する物理的な洞察を提供し、導波管内の光伝播の分野での応用の展望を開きます。