Osservazione diretta di fluidi elettromagnetici ideali

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4747 (2022) Citare questo articolo

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I mezzi con indice vicino allo zero (NZI) sono stati teoricamente identificati come mezzi in cui le radiazioni elettromagnetiche si comportano come fluidi elettromagnetici ideali. All’interno dei media NZI, il flusso di potenza elettromagnetica obbedisce ad equazioni simili a quelle del movimento del campo di velocità in un fluido ideale, così che la turbolenza ottica è intrinsecamente inibita. Qui, osserviamo sperimentalmente la distribuzione del flusso di potenza elettromagnetica di un fluido elettromagnetico ideale che si propaga all'interno di una guida d'onda di taglio mediante una tecnica di ricostruzione semi-analitica. Questa tecnica fornisce una prova diretta dell'inibizione della vorticità elettromagnetica alla frequenza NZI, anche in presenza di ostacoli complessi e cambiamenti topologici nella guida d'onda. Si osservano anche l'uniformità di fase e le distribuzioni di campo spazialmente statiche, caratteristiche essenziali dei materiali NZI. La misurazione della stessa struttura al di fuori della gamma di frequenze NZI rivela l'esistenza di vortici nel flusso di potenza, come previsto per i sistemi ottici convenzionali. Pertanto, i nostri risultati forniscono un importante passo avanti nello sviluppo di fluidi elettromagnetici ideali e introducono uno strumento per esplorare il comportamento della lunghezza d'onda secondaria dei mezzi NZI, comprese informazioni completamente vettoriali e di fase.

Negli ultimi anni si è assistito a un aumento di interesse per i fenomeni fisici controintuitivi che si verificano nei media con indice vicino allo zero (NZI)1. A causa della lunghezza d’onda infinitamente allungata e dei campi spazialmente statici, l’elettrodinamica all’interno dei media NZI porta a una serie di effetti fisici in cui alcuni osservabili sono indipendenti dalla geometria del sistema. Esempi popolari includono il superaccoppiamento2,3,4,5,6, risonatori elettromagnetici deformabili7, drogaggio fotonico8,9,10,11 e il miglioramento della coerenza spaziale dei campi termici12. Questa fisica esotica consente inoltre numerose applicazioni tecnologiche in un ampio spettro, dalle frequenze radio a quelle ottiche, comprese antenne13,14,15,16, lenti17,18,19 e componenti con nonlinearità ottiche potenziate20,21,22,23,24. Il meccanismo sottostante è attribuito al disaccoppiamento tra variazioni spaziali (numero d'onda) e temporali (frequenza) dei campi elettromagnetici, portando a distribuzioni di campo spazialmente statiche, ma temporalmente dinamiche25. Per le verifiche sperimentali di queste proprietà, i parametri di scattering vengono misurati rispetto alle variazioni spettrali o angolari sotto deformazioni delle geometrie dei mezzi NZI26,27,28. Tuttavia, i dettagli locali e/o sub-lunghezza d'onda delle distribuzioni di campo all'interno dei media NZI sono stati molto meno studiati. Le eccezioni includono l'osservazione diretta delle onde stazionarie29 e l'indipendenza dalla posizione della catodoluminescenza all'interno delle guide d'onda NZI30. In entrambi i casi, l'esperimento recupera un'immagine scalare dell'ampiezza lungo una guida d'onda diritta. Tuttavia, non vi è alcuna caratterizzazione del carattere vettoriale delle distribuzioni di campo all'interno dei media NZI, cioè informazioni su fase e ampiezza, all'interno di geometrie non banali.

I dettagli locali e sub-lunghezza d'onda delle distribuzioni di campo all'interno dei media NZI presentano una fisica ricca. Ad esempio, il flusso di potenza elettromagnetica locale – rappresentato dal campo vettoriale di Poynting – all’interno dei mezzi NZI è matematicamente equivalente al campo di velocità che si verifica in un fluido ideale31. Di conseguenza, la turbolenza ottica è intrinsecamente inibita nei mezzi NZI, sopprimendo qualsiasi vorticità nel flusso di potenza. La propagazione della luce all'interno dei mezzi NZI può essere intesa come un fluido elettromagnetico ideale, l'equivalente elettromagnetico di un fluido non viscoso, incomprimibile e irrotazionale.

In questo articolo, riportiamo una dimostrazione sperimentale di fluidi elettromagnetici ideali alle frequenze delle microonde utilizzando una guida d'onda rettangolare dispersiva alla sua frequenza di taglio (Fig. 1), che agisce come una struttura epsilon-near-zero (ENZ), che è un tipo specifico di Mezzo NZI. Tali guide d'onda dispersive presentano perdite minori rispetto agli attuali materiali ENZ32,33,34. Utilizzando questa piattaforma, siamo in grado di costruire geometrie non banali, inclusa la deformazione e il blocco del percorso di propagazione diretto tra le porte di ingresso e di uscita, che favoriscono la turbolenza ottica. La topologia della geometria viene ulteriormente modificata introducendo particelle dielettriche in tali guide d'onda. Inoltre, sviluppiamo una procedura di recupero dedicata che consente la mappatura diretta dei campi all'interno della guida d'onda con informazioni completamente vettoriali, comprendenti fase e ampiezza, basate solo su misurazioni superficiali. Tale metodo presenta interferenze trascurabili con il campo originale all'interno della cavità ed è possibile utilizzarlo in varie applicazioni fotoniche. I risultati sperimentali confermano che nella condizione ENZ, né le gravi deformazioni dei canali né l'esistenza di inclusioni inducono vorticità nel flusso di potenza elettromagnetica, mentre si osservano vortici quando si opera lontano dalla condizione ENZ. I nostri risultati dimostrano sperimentalmente l’analogia tra un fluido ideale e un flusso di potenza elettromagnetica nei media NZI. Questa conclusione rappresenta un importante passo avanti nello sviluppo di fluidi elettromagnetici ideali, fornisce informazioni fisiche sull’effetto di superaccoppiamento e apre prospettive per applicazioni nel campo della propagazione della luce all’interno delle guide d’onda.