將光線壓縮成無窮小的細線

研究人員已經(jīng)證明了一種新的電磁波模式，稱為“線波”，它沿著兩個相鄰表面之間具有不同電磁特性的界面沿著無窮小的細線傳播?？茖W(xué)家們預(yù)計，線波將有效地用于電磁能量的有效路由和集中，例如光，在集成光子學(xué)，傳感和量子過程以及未來真空電子學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。

“線波是第一個被無限小的一維物體引導(dǎo)的電磁波，”加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校電子和計算機工程教授，該研究的資深作者Daniel Sievenpiper說。“波導(dǎo)只不過是一條線，導(dǎo)致非常高的場濃度。這可用于增強非線性過程，從而導(dǎo)致用于光通信的高速調(diào)制器或更靈敏的化學(xué)探測器等。

“令人印象深刻的是如何將波浪擠入一條簡單的線路，可以產(chǎn)生基本上無限的能量集中和近乎完美的能量傳輸，”Dia'aaldin Bisharat說，他是城市大學(xué)的訪問研究員，是第一作者。該研究并在加州大學(xué)圣地亞哥雅各布斯工程學(xué)院進行。研究人員發(fā)表了“ 物理評論快報”雜志。

新的電磁線波類似于所謂的電磁表面波，其發(fā)生在兩個彼此疊置的不同材料之間的表面界面處。表面波可用于強烈限制和引導(dǎo)光，使其可用于能量傳輸和通信應(yīng)用。

另一方面，線波被限制在彼此相鄰放置的兩個表面之間的界面處。線波被限制在一維空間中，而表面波被限制在二維空間中。想象一下，這兩個平面的厚度為零并且并排放置，將界面限制為一條線 - 因此稱為線波。這種額外的限制使得線波能夠形成復(fù)雜的電路，使其在能量傳輸和通信應(yīng)用中更加出色，因為它們增加了表面波不具備的橫向限制。

實現(xiàn)線波的關(guān)鍵是其中一個表面是電感性的而另一個是電容性的。感應(yīng)表面支持橫向磁極化波，而電容表面支持橫向電極化波。當(dāng)兩個表面類型并排放置時，這兩個不同的邊界支持界面處的線波。

線波的另一個重要特征是它們自然地防止了后向散射。這意味著線路中的缺陷不能將波散射回光源，因此這種類型的波導(dǎo)自然可以防止不必要的反射，Sievenpiper解釋說。“這與最近開發(fā)的光子拓撲絕緣體類似，但線波具有一些優(yōu)勢，例如更寬的帶寬，并且它們允許更簡單的制造，”Sievenpiper說。

“我們的系統(tǒng)可能用于簡單的量子信息處理，其中信號根據(jù)特定的量子態(tài)在不同的方向上路由，”Bisharat指出。

研究人員通過使用周期性超曲面在實驗和模擬中展示了線波，他們希望通過使用其他材料可以進一步增加工作范圍。一種可能性是石墨烯，其可以根據(jù)其摻雜水平設(shè)計為電感表面或電容表面。Bisharat解釋說，使用石墨烯片可以改變線波的速度和限制，并沿不同的路徑引導(dǎo)它們，從而產(chǎn)生太赫茲頻率的電場可編程電路。

為了證明線波的控制，研究人員在模擬中展示了如何沿著彎曲的路徑引導(dǎo)線波并使其成為急轉(zhuǎn)彎。這種以受控方式限制和傳輸電磁能量的能力可能對構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和集成光子學(xué)應(yīng)用很有用，研究人員計劃在未來進一步研究。

“我們還啟動了一個項目，將這一概念從電磁領(lǐng)域擴展到聲學(xué)或聲波，使材料具有控制振動，聲音傳播和熱傳輸?shù)男绿匦裕?rdquo;Sievenpiper說。