(Phys.org)—Les physiciens ont démontré un nouveau mode d'onde électromagnétique appelé « onde linéaire, " qui se déplace le long d'une ligne infiniment mince le long de l'interface entre deux surfaces adjacentes avec des propriétés électromagnétiques différentes. Les scientifiques s'attendent à ce que les ondes linéaires soient utiles pour le routage et la concentration efficaces de l'énergie électromagnétique, avec des applications potentielles dans des domaines tels que la photonique intégrée, interactions lumière-matière, et l'optique quantique chirale.

Les chercheurs, Dia'aaldin J. Bisharat à la City University of Hong Kong et à l'University of California, San Diego, et Daniel F. Sievenpiper à l'Université de Californie, San Diego, ont publié un article sur leur démonstration des ondes linéaires dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

"Ce sont les premières ondes électromagnétiques que l'on trouve guidées par un infinitésimal, objet unidimensionnel, " Sievenpiper a dit Phys.org . "Le guide d'ondes n'est rien de plus qu'une ligne, qui est une interface entre deux feuilles ou plans adjacents. Cela conduit également à une concentration de champ très élevée, et les champs électromagnétiques ont en fait une singularité au niveau de la ligne, ce qui signifie qu'ils approchent de l'infini dans la limite mathématique. Bien sûr, en matériaux réels d'épaisseur finie, les champs ne peuvent pas être infinis, mais ils peuvent encore être très concentrés."

Comme l'expliquent les physiciens, les nouvelles ondes de ligne électromagnétiques rappellent les ondes électromagnétiques de surface, qui se produisent à l'interface entre deux types de surfaces différentes superposées. Les ondes de surface peuvent être utilisées pour confiner et guider fortement la lumière, ce qui les rend utiles pour les applications de transmission d'énergie et de communication.

Les ondes linéaires sont similaires aux ondes de surface en ce qu'elles sont également confinées à l'interface entre deux surfaces, mais avec des ondes linéaires, les surfaces sont posées côte à côte, restreindre l'interface à une ligne. La clé pour réaliser des ondes de ligne est que l'une des surfaces est inductive tandis que l'autre est capacitive. Alors que la surface inductive supporte des ondes magnétiques polarisées transversales, la surface capacitive supporte des ondes électriques polarisées transversales. Lorsque les deux types de surface sont placés côte à côte, ces deux frontières différentes supportent les ondes linéaires à l'interface. Une autre caractéristique importante des ondes linéaires, comme l'expliquent les physiciens, est qu'ils empêchent naturellement la rétrodiffusion.

"Les ondes linéaires ont également une autre propriété spéciale, c'est-à-dire que les polarisations opposées ne peuvent se propager que dans des directions opposées, " a déclaré Sievenpiper. " Cela signifie que les défauts de la ligne ne peuvent pas renvoyer les ondes vers la source, ce type de guide d'ondes évite donc naturellement les réflexions indésirables. Ceci est similaire aux isolants topologiques photoniques récemment développés, mais les ondes linéaires ont certains avantages tels qu'une bande passante plus large, et ils permettent une fabrication plus simple."

Les scientifiques ont démontré des ondes linéaires dans des expériences et des simulations en utilisant des métasurfaces périodiques, et ils s'attendent à pouvoir encore augmenter la plage de fonctionnement en utilisant d'autres matériaux. Une possibilité est le graphène, qui peut être conçue pour être soit une surface inductive, soit une surface capacitive selon son niveau de dopage.

Pour démontrer le contrôle des ondes linéaires, les physiciens ont montré dans des simulations comment les ondes linéaires peuvent être guidées le long de trajectoires courbes et acheminées pour effectuer des virages serrés. Cette capacité à confiner et à transporter l'énergie électromagnétique de manière contrôlée sera probablement utile pour la construction de dispositifs de réseau et d'applications photoniques intégrées, que les chercheurs prévoient d'approfondir à l'avenir.

"Les ondes linéaires peuvent être utilisées pour les guides d'ondes optiques intégrés, par exemple, " a déclaré Sievenpiper. " Leur forte concentration de champ peut permettre des modulateurs optiques plus performants ou des détecteurs chimiques sensibles. Le fait qu'ils prennent en charge la propagation unidirectionnelle avec une rétrodiffusion négligeable peut permettre des isolateurs ou des circulateurs optiques. S'il est fabriqué à l'aide de matériaux tels que le graphène, les guides d'ondes linéaires pourraient être reconfigurables électriquement, conduisant à des circuits optiques programmables sur le terrain.

À l'avenir, les chercheurs prévoient de travailler à la réalisation de ces types de circuits optiques.

« Nous démarrons deux nouveaux projets basés sur les ondes linéaires. Le premier consiste à les réduire aux fréquences optiques et à démontrer des composants photoniques tels que des isolateurs et des modulateurs avec de meilleures performances que leurs homologues conventionnels. La prochaine étape après cela serait de les construire en utilisant matériaux accordables pour réaliser des circuits optiques reconfigurables.

« Nous lançons également un projet pour étendre ce concept du domaine électromagnétique aux ondes acoustiques ou phononiques, permettre à des matériaux aux propriétés nouvelles de contrôler les vibrations, propagation du son, et caloporteur."

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