[論文レビュー] Space-Time Modulated Loaded-Wire Metagratings for Magnetless Nonreciprocity and Near-Complete Frequency Conversion

Yakir Hadad, Dimitrios L. Sounas|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、空間時間変調された容量性負荷付きワイヤを用いて、磁場を不要とする非再帰的メタグレーティングを提案し、強力な異方的反射とほぼ完全な周波数変換を達成する。時間変調された感受率と離散双極子近似を活用することで、特定の入射角において鏡面反射が抑制され、一方で逆方向では高い反射が維持される、効率的で非再帰的な散乱が実現可能となり、最小限の変調複雑性で実用的実装が可能となる。

ABSTRACT

In recent years a significant progress has been made in the development of magnet-less nonreciprocity using space-time modulation, both in electromagnetics and acoustics. This approach has so far resulted in a plethora of non-reciprocal devices, such as isolators and circulators, over different parts of the spectrum, for guided waves. On the other hand, very little work has been performed on non-reciprocal devices for waves propagating in free space, which can also have many practical applications. For example, it was shown theoretically that non-reciprocal scattering by a metasurface can be obtained if the surface-impedance operator is continuously modulated in space and time. However, the main challenge in the realization of such a metasurface is due to the high complexity required to modulate in space and time many sub-wavelength unit-cells of which the metasurface consists. In this paper we show that spatiotemporally modulated metagratings can lead to strong nonreciprocal responses, despite the fact that they are based on electrically-large unit cells. We specifically focus on wire metagratings loaded with time-modulated capacitances. We use the discrete-dipole-approximation and an ad-hoc generalization of the theory of polarizability for time-modulated particles, and demonstrate an effective nonreciprocal anomalous reflection (diffraction) with an efficient frequency conversion. Thus, our work opens a venue towards a practical design and implementation of highly non-reciprocal magnet-less metasurfaces in electromagnetics and acoustics.

研究の動機と目的

• 外部磁場を必要としない実用的な自由空間波デバイスの実現という課題に対処すること。
• 空間時間変調されたメタサーフェスにおける波長以下単位セルの密集したアレイの変調に起因する高い複雑性を克服すること。
• 電気的に大きな単位セルを用いて、効率的で非再帰的な異方的反射および周波数変換を実現すること。
• 1単位セルあたり3つの異なる変調領域のみを用いることで、変調要件を簡素化すること。
• 電磁気学および音響学分野における実用的非再帰的メタサーフェスの製造に実現可能な道筋を示すこと。

提案手法

• 容量性負荷付きワイヤの応答をモデル化するため、時間変調された共鳴粒子の一般化感受率理論を構築する。
• 空間時間変調されたワイヤの2次元格子からの散乱を分析するために、離散双極子近似を適用する。
• 容量の空間時間変調を用いて仮想的運動を生成し、時間反転対称性を破る。
• 特に (m,n) = (1,-1) および (0,1) 項の空間時間ハーモニクスの励起を分析し、異方的反射を実現する。
• 伝搬する回折モードを支持し、鏡面反射を抑制するために、電気的に大きな単位セル（O(λ/2)）を有するメタグレーティングを設計する。
• 変調パラメータを最適化し、周波数変換された周波数での (1,-1) ハーモニクスへのほぼ完全なパワー転送を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的に大きな単位セルを有する空間時間変調メタグレーティングは、自由空間で強力な非再帰的散乱を実現できるか？
• RQ2 最小限の変調複雑性で非再帰的異方的反射および効率的周波数変換をどのように達成できるか？
• RQ3 時間変調された感受率がワイヤベースメタグレーティングにおける非再帰的応答を可能にする役割は何か？
• RQ4 離散双極子近似は、空間時間変調共鳴ワイヤアレイの散乱応答を正確にモデル化できるか？
• RQ5 異なる空間時間ハーモニクスの励起は、入射角にどのように依存し、非再帰性を実現するか？

主な発見

• 入射角 θⁱ = -30° の場合、基本周波数 ω における鏡面反射は完全に抑制され、ほぼすべての入射パワーが ω₋₁ = ωᵣ - ωₘ における (m,n) = (1,-1) ハーモニクスに変換される。
• θʳ ≈ 42° における主要な反射波は (1,-1) ハーモニクスに対応し、強い非再帰的異方的反射を示している。
• (0,1) ハーモニクスは弱く励起され、無視できる程度のパワーフラックスを示しており、周波数変換の高効率性が裏付けられている。
• 逆方向の入射角 θⁱ = 30° の場合、鏡面反射が支配的となり、θʳ = 30° となることから、非再帰的挙動が確認された。
• 他のハーモニクスへの損失が最小限に抑えられ、ほぼ完全な周波数変換が達成され、効率的な非再帰的動作が可能となった。
• 1単位セルあたり3つの異なる変調領域のみを必要とし、実装および配線の複雑性が顕著に低減された。