[論文レビュー] GLLH EM Invisible Cloak With Novel Front Branching And Without Exceed Light Speed Violation

Ganquan Xieand, Jianhua Li+2 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2010

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、特許のない新しい材料クラス $ a_{\alpha\beta} \log^{\alpha}(b_{\alpha\beta}/h) h^{\beta} $ を用いて、光速を超えない、無限の場の速度を伴わない完全波動EMクローキングを実現する、画期的なグローバル・ローカル（GL）電磁（EM）クローキング—GLLH—を提案する。この手法はGL EMモデリングと逆問題解法を用い、月牙形の波フロントとフロント分岐を示す有限で光速未満の波動伝搬を実現し、物理的制約に違反することなく広帯域で透明性を検証する。

ABSTRACT

In this paper, we propose new Global and Local (GL) electromagnetic (EM) cloaks with distinctive class material a_{αβ}\log ^α(b_{αβ}/h) h^β(GLLH Cloak) without exceed light speed violation. The refractive index of the GLLH cloak material, $n(r)$, is large than one or equal to one. Our GLLH cloak is created by GL EM modeling and GL EM cloak inversion with searching class \it a_{αβ}\log ^α(b_{αβ}/h) h^β. The GLLH cloaks in this paper have finite speed and have no exceed light speed? physical violations and have more advantages. The GLLH EM cloaks can be practicable by using normal materials and are available for all broad frequency band. The GL EM cloak inversion and electromagnetic integral equation for cloak are presented in this paper. The novel EM wave propagation and front branching in the GLLH cloak by GL EM modeling are presented in this paper. The EM wave front propagation in GLLH cloak is behind of the front in free space. At time steps $118 dt$, in the GLLH cloak, the wave front is curved as a crescent like and propagates slower than the light in free space. At the time step $119dt$, the EM wave inside of the GLLH cloak propagates slower than light speed, moreover, its two crescent front peaks intersect at a front branching point. At the front branching point, the front is split to two fronts. The novel front branching and crescent like wave propagation are displayed in the following figure 1, figure 2 and figures 5 -20 in this paper. All copyright and patent of the GLLH EM cloaks and GL modeling and inversion methods are reserved by authors in GL Geophysical Laboratory.

研究の動機と目的

• 変換光学に基づくクローキング（例：Pendryクローキング）で見られる、光速を超える伝搬および無限の場の速度といった根本的な物理的違反を克服すること。
• 特異的または退化した材料パラメータを回避する通常の材料を用いた実用的で広帯域のEMクローキングを開発すること。
• クローキング内でのEM波動伝搬が常に光速未満であり、マクスウェル方程式と物理的に整合することを示すこと。
• GL EMモデリングと逆問題解法を通じて、座標変換に起因するアーチファクトなしに、完全波動の透明性を実現する新しいクローキング材料のクラスを確立すること。
• 波フロントの曲率、分岐、自由空間に対する遅延伝搬を示すフルウェーブシミュレーションを通じて、クローキングの機能性を検証すること。

提案手法

• 屈折率および電磁的パラメータを定義するため、$ h = r - R_i $ を用いた、新しい材料クラス $ a_{\alpha\beta} \log^{\alpha}(b_{\alpha\beta}/h) h^{\beta} $ を提案する。
• 有限差分法や有限要素法の制限を避けるために、グローバル・ローカル（GL）EMモデリングとGLメトロポリス・インバージョンを用いてEM場をシミュレートおよび逆問題解法を実施する。
• GL積分および微分形式に基づくフルウェーブマクスウェル方程式ソルバを用いて、クローキング内を通過するEM波動伝搬をモデル化する。
• GL逆問題手法を適用し、クローキング全域で有限で正の $ \varepsilon_r, \mu_r, \varepsilon_\theta, \mu_\theta $ を保証するクローキングパラメータを導出する。
• 離散時間ステップ（例：118dtおよび119dt）でのEM波動伝搬をシミュレートし、月牙形の曲率やフロント分岐を含む波フロントダイナミクスを可視化する。
• GLLHと同様の条件下でPendryクローキング（Psクローキング）と比較し、GLLHが光速未満の伝搬とフロント分岐なしを示すことを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波動伝搬において光速を超えない、特異的でない有限な材料クラスを用いてEMクローキングを設計可能か？
• RQ2 Pendryクローキング（Psクローキング）と比較して、提案されたGLLHクローキングにおけるEM波フロントの進化は、速度および形状の点でどのように異なるか？
• RQ3 因果律や相対性理論に反しない物理的に整合性のあるEMクローキング内で、自然にフロント分岐と曲がった波フロントが出現可能か？
• RQ4 GL EMモデリングと逆問題フレームワークは、人工的境界誤差や行列逆問題の問題を回避し、クローキング挙動を正確かつ安定にシミュレート可能か？
• RQ5 GLLHクローキングは、無限大または退化したパラメータを伴わず、通常の材料を用いて広帯域で完全な透明性を達成可能か？

主な発見

• GLLHクローキングでは、すべての時点で波フロントが自由空間の波フロントの後方を進むため、光速未満の伝搬および光速違反なしを確認した。
• 118dtの時点では、GLLHクローキング内部の波フロントが月牙形に湾曲しており、制御された非一様な波フロント変形が生じていることを示している。
• 119dtでは、二つの月牙形波フロントピークが分岐点で交差し、フロントが二つに分かれ、一つは外向きに伝搬し、もう一つは内向きに収束する。
• 内向きに伝搬するフロントは、振幅と速度が急速に減衰し、内側境界に達してゼロに達するため、外部からの検出が不可能になる。
• 一方、Psクローキングでは、光速を超える波フロントが観測され、複数の位相に分岐し、因果律および相対性理論に反する。
• GL EMモデリングと逆問題手法は、従来の手法の数値的不安定性を回避し、安定かつ正確な結果をもってGLLHクローキングをシミュレートした。