Das neue symmetrische Paritätszeitsystem eröffnet Forschern und Ingenieuren einen Wellenlängenbereich

Forscher aus den Labors von Lan Yang, Edwin H. & Florence G. Skinner Professor, und Xuan „Silvia“ Zhang, Associate Professor, an der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis, haben die erste vollständig integrierte Parität entwickelt -zeitsymmetrisches elektronisches System.

Und es kann ohne die Verwendung exotischer Materialien hergestellt werden und erfordert nur die gleiche mikroelektronische Standard-Fertigungstechnologie, die heute für übliche integrierte Schaltungen verwendet wird.

Die Forschung wurde am 17. März in der Zeitschrift veröffentlicht Natur Nanotechnologie.

PT-symmetrische Systeme ermöglichen es, den Energiefluss auf überraschend neue Weise zu manipulieren. Derzeit können sie in einem begrenzten Bereich arbeiten – entweder im extrem niederfrequenten akustischen Bereich oder im extrem hochfrequenten optischen Bereich.

Diese neue Technologie implementierte ein Konzept mit bemerkenswerten mathematischen Eigenschaften aus der Quantenphysik in einen integrierten Schaltkreis. Es erschließt einen neuen Teil des Spektrums für die Forschung im Giga- bis Terahertz-Bereich.

„Unsere Arbeit öffnet diesen mittleren Teil (des Spektrums), der entscheidende Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen abdeckt; wir füllen die Lücke“, sagte Zhang.

„Niemand auf der Welt ist in der Lage, PT-symmetrische Systeme zu bauen, die diesen Frequenzbereich abdecken.“

Der Schlüssel zu diesen Systemen ist die Fähigkeit, den Energieverlust eines Resonators mit der Verstärkung eines anderen, gekoppelten Resonators genau auszugleichen. Dieser besondere Gleichgewichtspunkt ist die PT-Symmetrie und ermöglicht neue und kraftvolle Wege, den Fluss und die Lokalisierung von Energie zu manövrieren.

Ein in einem Spiegel reflektiertes Bild hat eine Paritätstransformation – bei der Reflexion wird eine rechte Hand umgekehrt und wird zu einer linken Hand und umgekehrt. Ein rückwärts abgespieltes Video ist ein Beispiel für Zeitumkehr – die Ereignisse im Video bewegen sich zeitlich rückwärts.

Wenn beide Transformationen gleichzeitig durchgeführt werden und sich „gegenseitig aufheben“ – das System sieht genauso aus wie vor den Transformationen -, dann hat dieses System PT-Symmetrie.

Ein solches Konzept wurde in gekoppelten photonischen Resonatorsystemen verwendet, um neue Strategien zur Steuerung des Lichtflusses zu entwickeln, wie z. B. nicht-reziproke Lichtübertragung.

In der Lage zu sein, einen zusätzlichen Streifen des elektromagnetischen Spektrums zu manipulieren, eröffnet die Möglichkeit neuer Entdeckungen und Technologien, sagte Weidong Cao, ein Postdoktorand in Zhangs Labor.

In der Praxis sind diese Arten von Systemen wichtige Komponenten für Radar, drahtlose Kommunikation und Energieübertragungssysteme. Gerade jetzt benötigen die relevanten Teile große, magnetische Kerne. „Aber jetzt können wir sie auf einen integrierten Schaltungschip von der Größe eines Fingernagels verkleinern“, sagte Zhang.

Dank einer neuartigen Herstellungstechnologie ist das System skalierbar, wodurch es einfacher wird, neue Funktionen in bestehenden Technologien zu nutzen.

„Die integrierte Schaltungsherstellung und unser Schaltungsdesign ermöglichen es Ihnen, speziell für verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums zu bauen“, sagte Cao.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Einführung der PT-Symmetrie in die Technologie integrierter Schaltkreise einer breiten Palette von chipbasierten Anwendungen wie der Frequenzmodulation und der Manipulation der Mikrowellenausbreitung zugute kommen könnte.“

Yang sagte, sie sei beeindruckt von der potenziellen Fähigkeit der Physik, die Technologie so umfassend und unmittelbar zu beeinflussen.

„Es ist aufregend, die überlegene Leistung und Funktion zu demonstrieren, die durch ein neues Design ermöglicht werden, das von der Grundlagenforschung in einer Plattform geleitet wird, die in der Industrie weit verbreitet ist“, sagte sie.