Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont reproduit l'un des effets électromagnétiques les plus connus en physique, l'effet Hall, utilisant des ondes radio (photons) au lieu du courant électrique (électrons). Leur technique pourrait être utilisée pour créer des systèmes de communication avancés qui amplifient la transmission du signal dans une direction tout en absorbant simultanément les signaux allant dans la direction opposée.

L'effet Hall, découvert en 1879 par Edwin Hall, se produit en raison de l'interaction entre les particules chargées et les champs électromagnétiques. Dans un champ électrique, les particules chargées négativement (électrons) subissent une force opposée à la direction du champ. Dans un champ magnétique, les électrons en mouvement subissent une force dans la direction perpendiculaire à leur mouvement et au champ magnétique. Ces deux forces se combinent dans l'effet Hall, où les champs électriques et magnétiques perpendiculaires se combinent pour générer un courant électrique. La lumière n'est pas chargée, les champs électriques et magnétiques réguliers ne peuvent donc pas être utilisés pour générer un "courant de lumière" analogue. Cependant, dans un article récent publié dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont fait exactement cela à l'aide de ce qu'ils appellent des "champs électriques et magnétiques synthétiques".

Le groupe de recherche du chercheur principal Gaurav Bahl a travaillé sur plusieurs méthodes pour améliorer la transmission de données radio et optique ainsi que la communication par fibre optique. Plus tôt cette année, le groupe a exploité une interaction entre les ondes lumineuses et sonores pour supprimer la diffusion de la lumière par les défauts des matériaux et a publié ses résultats dans Optique . En 2018, Christopher Peterson, membre de l'équipe, était l'auteur principal d'un article sur Science Advances qui expliquait une technologie qui promet de réduire de moitié la bande passante nécessaire aux communications en permettant à une antenne d'envoyer et de recevoir des signaux sur la même fréquence simultanément grâce à un processus appelé couplage non réciproque.

Dans l'étude actuelle, Peterson a fourni une autre méthode prometteuse pour contrôler la transmission de données de manière directionnelle en utilisant un principe similaire à l'effet Hall. Au lieu d'un courant électrique, l'équipe a généré un "courant de lumière" en créant des champs électriques et magnétiques synthétiques, qui affectent la lumière de la même manière que les champs normaux affectent les électrons. Contrairement aux champs électriques et magnétiques conventionnels, ces champs synthétiques sont créés en faisant varier la structure à travers laquelle la lumière se propage à la fois dans l'espace et dans le temps.

"Bien que les ondes radio ne portent pas de charge et ne subissent donc pas de forces provenant de champs électriques ou magnétiques, les physiciens savent depuis plusieurs années que des forces équivalentes peuvent être produites en confinant la lumière dans des structures qui varient dans l'espace ou dans le temps, " Peterson a expliqué. " Le taux de changement de la structure dans le temps est effectivement proportionnel au champ électrique, et le taux de changement dans l'espace est proportionnel au champ magnétique. Alors que ces champs synthétiques étaient auparavant considérés séparément, nous avons montré que leur combinaison affecte les photons de la même manière qu'elle affecte les électrons."

En créant un circuit spécialement conçu pour améliorer l'interaction entre ces champs synthétiques et les ondes radio, l'équipe a tiré parti du principe de l'effet Hall pour amplifier les signaux radio allant dans une direction, augmenter leur force, tout en arrêtant et en absorbant les signaux allant dans l'autre sens. Leurs expériences ont montré qu'avec la bonne combinaison de champs synthétiques, les signaux peuvent être transmis à travers le circuit plus de 1000 fois plus efficacement dans une direction que dans la direction opposée. Leurs recherches pourraient être utilisées pour produire de nouveaux dispositifs qui protègent les sources d'ondes radio contre les interférences potentiellement nuisibles, ou qui aident à garantir l'exactitude des mesures de mécanique quantique sensibles. L'équipe travaille également sur des expériences qui étendent le concept à d'autres types d'ondes, y compris les vibrations lumineuses et mécaniques, alors qu'ils cherchent à établir une nouvelle classe de dispositifs basés sur l'application de l'effet Hall en dehors de son domaine d'origine.