기하학

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3568(2022) 이 기사 인용

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방사 요소(예: 안테나, 개구 등)에서 나오는 전자기 복사는 작동 주파수 측면에서 요소의 기하학적 형태에 따라 달라지는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이 기본 원리는 마이크로파부터 광학 및 플라즈몬까지 다양한 응용 분야의 라디에이터 설계에 널리 사용됩니다. 제로에 가까운 엡실론 매체의 출현은 전자기파의 무한한 파장을 예외적으로 허용하여 기하학에 의존하지 않는 이국적인 공간 정적 파동 역학을 나타냅니다. 이 연구에서 우리는 방사선에 대한 이러한 기하학적 독립 특징을 이론적으로 분석하고 실험적으로 검증함으로써 호스트 재료의 분산에 의해서만 결정되는 기하학적 형태와 무관한 작동 주파수를 갖는 새로운 종류의 방사 공진기, 즉 안테나를 제시합니다. 다양한 모양과 토폴로지로 변환됨에도 불구하고 설계된 엡실론 거의 영에 가까운 안테나는 동일한 주파수에서 공진하면서 매우 다른 원거리 방사 패턴을 나타내며 빔은 넓은 것에서 좁은 것, 심지어 단일에서 다중까지 다양합니다. 또한, 고효율 방사선을 촉진하기 위해 광자 도핑 기술이 사용됩니다. 재료에 따라 결정되는 기하학적 구조에 독립적인 방사선은 무선 통신, 감지 및 파면 엔지니어링을 위한 유연한 설계 및 제조에 다양한 응용 분야로 이어질 수 있습니다.

전자기장의 방사는 수십 년 동안 물리학과 공학의 기본 주제였으며, 무선 통신1, 원격 감지2,3, 무선 전력 전송4,5 등 다양한 분야에서 필수적인 응용 분야로 이어졌습니다. 자유 공간(예: 개방형 공동)에 결합된 공진기는 공진 시 제한된 필드를 외부 방사파로 누출할 수 있습니다. 이러한 과정은 기하학적 특징(즉, 크기와 모양)이 주파수 특징을 결정하는 현상이다. 이러한 의존성은 공진 주파수가 일반적으로 크기와 기하학적 구조에 의해 결정되는 방사 공진기의 고유 모드 관점에서 동등하게 이해될 수 있습니다6. 잘 알려진 예로는 마이크로파 및 나노광학 분야에 널리 채택되는 쌍극 안테나7,8,9가 있는데, 이 안테나의 작동 주파수는 팔 길이와 직접적인 관련이 있습니다. 또 다른 친숙한 사례인 Fabry-Perot 공동10,11은 길이가 매질 파장의 정수배인 경우에만 레이저를 공명하고 생성합니다.

이러한 "기하학적 의존성"은 방사선 현상에 만연하므로, 기하학적 구조와 무관한 작동 주파수를 갖는 방사 공동 공진기가 존재한다면 질적으로 다른 클래스의 라디에이터를 나타낼 것입니다. 이는 작동(공진) 주파수를 변경하지 않고 유지하면서 기하학 또는 방사 구멍의 공간 분포를 제어하여 공진기의 원거리 방사 패턴을 조정하는 데 귀중한 자유도를 도입합니다. 이는 공진기의 전자기 모드의 공간적 분포가 매질의 파장 λ로 설명되고, 이는 기본 제약 조건 f 에 의해 전자기장의 진동 주파수 f와 관련되는 파동 역학의 일반적인 직관과 반대됩니다. = c/n 여기서 n은 공진기를 채우는 매체의 굴절률입니다. 공진 공동의 최소 크기 제한을 파장의 절반으로 제한하기 위해 연구자들은 쌍곡선 메타물질을 기반으로 하는 광학 공동을 제안하고 소형화된 기하학적 구조에서 크기와 무관한 공명을 달성했습니다. 쌍곡선 메타물질의 작은 크기와 큰 파수로 인해 공동은 자연스럽게 효율적인 방사기로 작동하지 않습니다. 따라서 기하학적으로 독립적인 라디에이터를 구현하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.