[논문 리뷰] Space-Time Modulated Loaded-Wire Metagratings for Magnetless Nonreciprocity and Near-Complete Frequency Conversion

Yakir Hadad, Dimitrios L. Sounas|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 01.

Metamaterials and Metasurfaces Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 공간-시간으로 조절되는 커패시티브로 로드된 와이어를 사용하여 자석이 없는 비상호성 메타그레팅을 제안하여 강한 이방성 반사와 거의 완전한 주파수 변환을 달성한다. 시간에 따라 변하는 분극도와 이산 다이폴 근사를 활용함으로써, 한 입사 각도에서는 반사가 억제되고 비상호성의 효율적인 산란이 가능해지며, 반대로 다른 방향에서는 높은 반사가 유지되어, 최소한의 조절 복잡도로 실용적인 실현이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 자석이 없는 실용적인 자유공간 파 장치의 비상호성을 실현하는 데 도전하는 데 목적을 두며.
• 공간-시간으로 조절되는 메타표면에서 밀도가 높은 마이크로 단위 셀의 조절이 복잡한 문제를 해결하는 데 목적을 두며.
• 전기적으로 큰 단위 셀을 사용하여 효율적인 비상호성 이방성 반사 및 주파수 변환을 가능하게 하는 데 목적을 두며.
• 단위 셀당 세 가지의 서로 다른 조절 영역만을 사용하여 조절 요구 조건을 단순화하는 데 목적을 두며.
• 전자기학 및 음향학 분야에서 실용적인 비상호성 메타표면을 제작하는 데可行한 길을 제시하는 데 목적을 두며.

제안 방법

• 시간에 따라 변하는 공명 입자를 위한 일반화된 분극도 이론을 개발하여 커패시티브로 로드된 와이어의 반응을 모델링한다.
• 공간-시간으로 조절되는 와이어의 산란을 분석하기 위해 이산 다이폴 근사를 적용한다.
• 커패시턴스의 공간-시간 조절을 통해 인공적 운동을 생성하고 시간 역행 대칭성을 깨뜨린다.
• 특히 (m,n) = (1,-1) 및 (0,1) 순서의 공간-시간 허수를 분석하여 이방성 반사를 가능하게 한다.
• 전파되는 衍射 순서를 지지하고 반사된 빛을 억제하기 위해 전기적으로 큰 단위 셀(O(λ/2))을 사용한 메타그레팅을 설계한다.
• 조절 파arameter를 최적화하여 기본 주파수 ω에서의 (1,-1) 허수로 거의 완전한 전력 전달을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적으로 큰 단위 셀을 가진 공간-시간으로 조절되는 메타그레팅이 자유공간에서 강한 비상호성 산란을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 조절 복잡도로 비상호성 이방성 반사와 효율적인 주파수 변환을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 시간에 따라 변하는 분극도가 와이어 기반 메타그레팅에서 비상호성 응답을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이산 다이폴 근사는 공간-시간으로 조절되는 공명 와이어 어레이의 산란 응답을 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 다른 공간-시간 허수의 자극은 입사 각도에 따라 어떻게 달라지며, 이는 비상호성을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 입사 각도 θⁱ = -30°일 경우, 기본 주파수 ω에서의 정상 반사가 완전히 억제되며, 거의 모든 입사 전력이 ω₋₁ = ωᵣ - ωₘ 주파수에서 (m,n) = (1,-1) 허수로 변환된다.
• θʳ ≈ 42°에서 주로 발생하는 반사파는 (1,-1) 허수에 해당하여 강한 비상호성 이방성 반사를 나타낸다.
• (0,1) 허수는 약하게 자극되었으며, 전력 흐름이 무시할 만큼 작아 주파수 변환의 높은 효율성을 나타낸다.
• 반대편 입사 각도 θⁱ = 30°일 경우, 정상 반사가 지배적이며, θʳ = 30°로 확인되어 비상호성 행동이 확인된다.
• 기타 허수로의 손실이 최소화되어 거의 완전한 주파수 변환을 달성하며, 효율적인 비상호성 작동이 가능하다.
• 단위 셀당 세 개의 서로 다른 조절 영역만 필요하여 실용적 구현과 배선 복잡도를 크게 단순화시켰다.