[论文解读] Holding and amplifying electromagnetic waves with temporal non-Foster metastructures

Víctor Pacheco‐Peña, Yasaman Kiasat+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2023

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 8

一句话总结

该论文表明，在非Foster超结构中进行快速、从正向到负向的时域介电常数调制可以停止电磁波并指数放大其冻结场，解冻后在原频率或新频率继续传播。

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.

研究动机与目标

• 通过 temporal modulation of permittivity 理解和驱动非Foster介质中的波传播的动机与原理。
• 理论分析在时变、色散为零的负介质中平面波，揭示冻结与放大现象。
• 探索此类时变超材料的数值与现实实现途径。
• 提出一个可行的实验平台，在波导中模拟时变的非Foster行为。

提出的方法

• 建立一个平面波在时变介电常数 ε(t) 的无界介质中的理论模型。
• 分析 ε(t) 的快速正变到负变对波传播的影响，显示相位冻结和冻结场的指数增长。
• 描述当 ε(t) 恢复为正值时的解冻过程，导致传播恢复并具有原频率或新频率。
• 对时变非Foster结构中的偶极辐射进行数值研究。
• 提出一个带有时变介质的平行板波导平台，以模拟并联 lumped 非Foster 负电容器。

实验结果

研究问题

• RQ1 快速从正到负（无色散）介电常数的时域调制是否能够停滞电磁波并放大冻结场？
• RQ2 将介电常数恢复为正值如何影响波的解冻以及产生的频率？
• RQ3 在此类时变非Foster介质中偶极辐射的行为为何？
• RQ4 什么样的实际平台可以实现时依赖的非Foster 超材料，以实现这些效应？

主要发现

• 快速的正到负 ε(t) 变化在波传播被停止（冻结相）时，场强呈指数增长。
• 通过使 ε(t) 返回正值（或改变它）实现解冻，传播在原频率或新频率重新开始。
• 数值结果展示了时变非Foster结构中的偶极辐射行为。
• 提出带时变介质的平行板波导作为实现非Foster负电容器的可行方案。
• 该研究为利用时域非Foster 超材料控制和操纵波–物质相互作用提供了新途径。