[논문 리뷰] Holding and amplifying electromagnetic waves with temporal non-Foster metastructures

Víctor Pacheco‐Peña, Yasaman Kiasat외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 07.

Metamaterials and Metasurfaces Applications인용 수 8

한 줄 요약

논문은 비포스터 메타구조에서 유전율의 빠르고 양수에서 음수로의 시간적 변조가 전자기 파를 멈추고 얼려진 필드를 기하급수적으로 증폭시킬 수 있으며 해동이 원래 주파수 또는 새로운 주파수에서 전파를 재개한다.

ABSTRACT

We introduce a mechanism that can both hold and amplify electromagnetic waves by rapidly changing the permittivity of the medium during the wave travel from a positive to a dispersionless (i.e. non-Foster) negative value and then back again. The underlying physics behind this phenomenon is theoretically explored by considering a plane wave in an unbounded medium. Interestingly, we show that a rapid positive-to-negative temporal change of ε(t) causes the propagation of the wave to stop (observed by a frozen phase in time) while the amplitude of the frozen field exponentially grows. Stepping the permittivity back to the original (or a new) positive value will cause the wave to thaw and resume propagation with the original (or the new) frequency, respectively. We numerically study the case of dipole radiation in such time-varying non-Foster structures. As a possible implementation, we propose a parallel plate waveguide platform loaded with time-dependent media emulating parallel lumped non-Foster negative capacitors. Such non-Foster time-varying structures may open new venues in controlling and manipulating wave-matter interaction.

연구 동기 및 목표

• 비포스터 매질에서 유전율의 시간적 변조가 파의 전파를 어떻게 제어할 수 있는지 동기를 부여하고 이해한다.
• 시간-분산이 없는 음의 매질에서 평면파를 이론적으로 분석하여 냉동과 증폭 현상을 밝힌다.
• 이러한 시간-변동 메타물질에 대한 수치적 및 실용적 구현 방안을 모색한다.
• 파동가이드에서 시간 변동하는 non-Foster 거동을 모사하기 위한 실현 가능한 실험 플랫폼을 제안한다.

제안 방법

• 시간에 따라 ε(t)가 변하는 무한한 매질에서의 평면파에 대한 이론적 모델을 개발한다.
• ε(t)의 빠른 양수에서 음수로의 시간적 변화가 파 전파에 미치는 영향을 분석하여 위상 동결과 얼어 있는 필드의 기하급수적 증가를 보인다.
• ε(t)가 양수 값으로 회복될 때의 해동 과정을 설명하고 원래 주파수 또는 새로운 주파수로의 전파 재개를 이끈다.
• 시간에 따른 non-Foster 구조에서의 dipole 방사에 대한 수치해를 수행한다.
• 병렬판 도파관에 시간 의존 매체를 로드하여 병렬로 구성된 non-Foster 음의 커패시터를 에뮬레이션하는 플랫폼을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양수에서 음수로의 빠른 시간적 모듈레이션(분산 없는) 유전율이 전자기 파를 멈추고 얼려진 필드를 증폭시킬 수 있는가?
• RQ2 ε(t)를 양수로 복원하면 해동과 결과 주파수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 시간변동 non-Foster 매질에서 dipole 방사의 거동은 어떠한가?
• RQ4 이 효과들을 위해 시간 의존 non-Foster 메타물질을 구현할 수 있는 실용적인 플랫폼은 무엇인가?

주요 결과

• 빠른 양수에서 음수로의 ε(t) 변화는 파 전파를 멈추는(얼어 있는 위상) 동안 필드 진폭을 기하급수적으로 증가시킨다.
• ε(t)를 다시 양수로 되돌리거나 이를 변화시킴으로써 해동이 일어나 원래 주파수 또는 새로운 주파수로의 전파 재개가 가능하다.
• 수치 결과는 시간에 따라 변하는 non-Foster 구조에서의 dipole 방사 거동을 입증한다.
• 비포스터 음의 커패시터를 에뮬레이션하기 위한 플랫폼으로 시간 의존 매질을 가진 병렬판 도파관이 실현 가능한 구현으로 제시된다.
• 이 연구는 시간적 non-Foster 메타구조를 이용한 파-물질 상호작용의 제어와 조작에 새로운 길을 제시한다.