Observação direta de fluidos eletromagnéticos ideais

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4747 (2022) Citar este artigo

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Os meios com índice próximo de zero (NZI) foram teoricamente identificados como meios onde as radiações eletromagnéticas se comportam como fluidos eletromagnéticos ideais. Nos meios NZI, o fluxo de potência eletromagnética obedece a equações semelhantes às do movimento do campo de velocidade em um fluido ideal, de modo que a turbulência óptica é intrinsecamente inibida. Aqui, observamos experimentalmente a distribuição do fluxo de energia eletromagnética de um fluido eletromagnético ideal propagando-se dentro de um guia de ondas de corte por uma técnica de reconstrução semi-analítica. Esta técnica fornece prova direta da inibição da vorticidade eletromagnética na frequência NZI, mesmo na presença de obstáculos complexos e mudanças topológicas no guia de ondas. Uniformidade de fase e distribuições de campo espacialmente estáticas, características essenciais dos materiais NZI, também são observadas. A medição da mesma estrutura fora da faixa de frequência NZI revela a existência de vórtices no fluxo de potência, como esperado para sistemas ópticos convencionais. Portanto, nossos resultados fornecem um importante passo no desenvolvimento de fluidos eletromagnéticos ideais e introduzem uma ferramenta para explorar o comportamento de subcomprimentos de onda dos meios NZI, incluindo informações totalmente vetoriais e de fase.

Nos últimos anos, assistimos a um aumento do interesse nos fenómenos físicos contra-intuitivos que ocorrem nos meios de comunicação com índice próximo de zero (NZI)1. Devido ao comprimento de onda infinitamente esticado e aos campos espacialmente estáticos, a eletrodinâmica dentro da mídia NZI leva a uma série de efeitos físicos onde alguns observáveis ​​​​são independentes da geometria do sistema. Exemplos populares incluem superacoplamento2,3,4,5,6, ressonadores eletromagnéticos deformáveis7, dopagem fotônica8,9,10,11 e o aumento da coerência espacial dos campos térmicos12. Essa física exótica também capacita inúmeras aplicações tecnológicas em um amplo espectro, desde frequências de rádio até frequências ópticas, incluindo antenas13,14,15,16, lentes17,18,19 e componentes com não linearidades ópticas reforçadas20,21,22,23,24. O mecanismo subjacente é atribuído ao desacoplamento entre variações espaciais (número de onda) e temporais (frequência) dos campos eletromagnéticos, levando a distribuições de campo espacialmente estáticas, mas temporalmente dinâmicas . Para verificações experimentais dessas propriedades, os parâmetros de espalhamento são medidos em relação às variações espectrais ou angulares sob deformações das geometrias dos meios NZI . No entanto, os detalhes locais e/ou de subcomprimento de onda das distribuições de campo dentro da mídia NZI foram muito menos estudados. As exceções incluem a observação direta de ondas estacionárias e a independência de posição da catodoluminescência nos guias de ondas NZI. Em ambos os casos, o experimento recupera uma imagem escalar da amplitude ao longo de um guia de ondas reto. Contudo, não há caracterização do caráter vetorial das distribuições de campo dentro do meio NZI, ou seja, informações de fase e amplitude, dentro de geometrias não triviais.

Detalhes locais e de subcomprimento de onda das distribuições de campo dentro da mídia NZI apresentam uma física rica. Por exemplo, o fluxo de potência eletromagnética local - representado pelo campo vetorial de Poynting - dentro do meio NZI é matematicamente equivalente ao campo de velocidade que ocorre em um fluido ideal . Como consequência, a turbulência óptica é intrinsecamente inibida no meio NZI, suprimindo qualquer vorticidade no fluxo de potência. A propagação da luz dentro do meio NZI pode ser entendida como um fluido eletromagnético ideal, o equivalente eletromagnético de um fluido invíscido, incompressível e irrotacional.

Neste artigo, relatamos uma demonstração experimental de fluidos eletromagnéticos ideais em frequências de micro-ondas usando um guia de ondas retangular dispersivo em sua frequência de corte (Fig. 1), atuando como uma estrutura épsilon próxima de zero (ENZ), que é um tipo específico de Meio NZI. Esses guias de onda dispersivos apresentam perdas menores que os materiais ENZ reais . Utilizando esta plataforma, somos capazes de construir geometrias não triviais, incluindo deformação e bloqueio do caminho de propagação direta entre as portas de entrada e saída, o que favorece a turbulência óptica. A topologia da geometria é ainda modificada pela introdução de partículas dielétricas em tais guias de onda. Além disso, desenvolvemos um procedimento de recuperação dedicado que permite o mapeamento direto dos campos dentro do guia de ondas com informações totalmente vetoriais, abrangendo fase e amplitude, com base apenas em medições de superfície. Tal método tem interferências insignificantes no campo original dentro da cavidade e é viável para ser usado em diversas aplicações fotônicas. Os resultados experimentais confirmam que sob a condição ENZ, nem as deformações severas dos canais nem a existência de inclusões induzem vorticidades ao fluxo de potência eletromagnética, enquanto vórtices são observados quando operando fora da condição ENZ. Nossos resultados demonstram experimentalmente a analogia entre um fluido ideal e o fluxo de energia eletromagnética na mídia NZI. Esta conclusão é um passo importante no desenvolvimento de fluidos eletromagnéticos ideais, fornece informações físicas sobre o efeito do superacoplamento e abre perspectivas para aplicações no campo da propagação da luz em guias de onda.