une, une onde électromagnétique entrante se déplace dans un milieu illimité avec une permittivité isotrope. b, en changeant rapidement la permittivité du milieu dans le temps d'isotrope à un tenseur anisotrope (avec la composante x de la permittivité plus petite que sa composante z), une limite temporelle est introduite produisant des ondes avant et arrière (équivalentes à la transmission et à la réflexion à l'interface entre deux médias dans le domaine spatial). Dans cette situation, la direction du vecteur d'onde reste la même tandis que la propagation de l'énergie change de direction suivant la direction du vecteur de Poynting S, atteignant finalement le récepteur 2 (Rx2). c, une approche similaire peut être appliquée en concevant correctement la fonction temporelle de permittivité pour permettre à l'onde électromagnétique transmise d'être redirigée vers Rx1. d-e, Instantanés des résultats de simulation pour les distributions de puissance à des moments avant et après que la permittivité soit passée d'isotrope à anisotrope en temps réel, respectivement, montrer comment l'énergie change de direction :visée temporelle. Crédit :Victor Pacheco-Peña et Nader Engheta
L'adaptation et la manipulation de la propagation des ondes électromagnétiques suscitent un grand intérêt au sein de la communauté scientifique depuis de nombreuses décennies. Dans ce contexte, la propagation des ondes a été conçue en introduisant correctement des inhomogénéités spatiales le long du chemin où l'onde se déplace. Les antennes et les systèmes de communication en général ont grandement bénéficié de ce contrôle onde-matière. Par exemple, si l'on a besoin de rediriger le champ rayonné (information) d'une antenne (émetteur) vers une direction souhaitée et d'atteindre une antenne de réception placée à un endroit différent, on peut simplement placer le premier dans un étage de translation et piloter mécaniquement la propagation de l'onde électromagnétique émise.
Ces techniques d'orientation de faisceau ont grandement contribué au pointage spatial des cibles dans des applications telles que les radars et les systèmes de communication point à point. L'orientation du faisceau peut également être obtenue en utilisant des métamatériaux et des métasurfaces au moyen d'un contrôle spatial des paramètres électromagnétiques effectifs d'un système d'antenne à méta-lentilles conçu et/ou en utilisant des méta-surfaces reconfigurables. La prochaine question à poser :pourrions-nous repousser les limites des applications actuelles de direction de faisceau en contrôlant les propriétés électromagnétiques des médias non seulement dans l'espace mais aussi dans le temps (c'est-à-dire, métamatériaux 4-D x, oui, z, t) ? Dans l'ordre, serait-il possible d'atteindre le pointage temporel des ondes électromagnétiques ?
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , Victor Pacheco-Peña de l'École de mathématiques, Statistiques et physique de l'Université de Newcastle au Royaume-Uni et Nader Engheta du Département d'ingénierie électrique et des systèmes de l'Université de Pennsylvanie, Les USA ont répondu à cette question en proposant l'idée de métamatériaux temporels qui passent d'un tenseur de permittivité isotrope à anisotrope. Dans cette conception, les auteurs considèrent un changement rapide de la permittivité de l'ensemble du milieu où l'onde se déplace et ont démontré à la fois numériquement et analytiquement les effets d'une telle limite temporelle causée par le changement temporel rapide de la permittivité. En faisant ainsi, les ondes avant et arrière sont produites avec le vecteur d'onde k préservé tout au long du processus tandis que la fréquence est modifiée, en fonction des valeurs du tenseur de permittivité avant et après le changement temporel de permittivité.
De façon intéressante, les résultats théoriques des auteurs montrent également en quoi la direction de propagation de l'énergie (définie par le vecteur de Poynting S) est différente de celle du nombre d'onde, conduisant à l'orientation en temps réel du faisceau d'énergie électromagnétique, un phénomène que les auteurs ont nommé Temporal visant comme l'analogue temporel du rayonnement spatial. Tous les calculs numériques rapportés sont en excellent accord avec les calculs analytiques. Comme le commentent les auteurs :
"Dans cette étude, nous fournissons une analyse approfondie de la physique sous-jacente à une telle approche de visée temporelle obtenue en changeant rapidement la permittivité du milieu contenant l'onde, des valeurs isotropes à anisotropes. Comme résultat passionnant, nous avons pu extraire une formule analytique fermée et simple pour la nouvelle direction de propagation de l'énergie de l'onde électromagnétique déjà présente."
"Nous présentons une étude détaillée tenant compte des ondes monochromatiques sous différents angles d'incidence obliques ainsi que des ondes électromagnétiques incidentes plus complexes telles que les faisceaux gaussiens."
« Puisque cette visée temporelle nous permet de changer arbitrairement la direction de propagation de l'énergie en temps réel, cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'orientation du faisceau en temps réel. Nous donnons un exemple numérique d'une seule antenne émettrice et de trois récepteurs placés à différents emplacements spatiaux. Notre exemple montre comment l'onde électromagnétique transmise peut atteindre l'un des trois récepteurs en créant simplement une permittivité dépendante du temps du milieu suivant une fonction carrée :isotrope-anisotrope-isotrope".
"La technique présentée a le potentiel d'ouvrir de nouvelles possibilités pour le routage de l'information dans les systèmes photoniques intégrés en mettant en œuvre des métamatériaux temporels qui peuvent dévier les ondes électromagnétiques guidées vers une cible/direction souhaitée sur une puce", prévoient les scientifiques.
