Forscher weisen anomalen Brewster-Effekt in Metamaterialien nach

Der reflexionsfreie Brewster-Effekt ist eine der einfachsten und zugleich wichtigsten Entdeckungen bei der Wellenmanipulation. Anfängliche Untersuchungen beschränkten sich auf isotrope Materialien, doch später stellte sich dank der Entwicklung von Metamaterialien heraus, dass sich das Phänomen auch auf anisotrope Materialien ausweitete.

Kürzlich wurde ein anomaler Brewster-Effekt in Metamaterialien nachgewiesen, wodurch die Anzahl der Freiheitsgrade erhöht wurde. In Materialien ohne magnetische Reaktionen gilt der Brewster-Effekt ausschließlich für transversalmagnetische (TM- oder p-Wellenpolarisations-)Wellen. Aufbauend auf der Äquivalenz zwischen TM-Modus und 2D-Akustik wurde der Brewster-Effekt in Akustik mit Nullreflexion unter Verwendung akustischer Metamaterialien nachgewiesen.

In ihrem Papier veröffentlicht im Journal Wissenschafts-Bulletindemonstrierten die Forscher diese universelle Theorie zunächst, indem sie die kontinuierlichen Randbedingungen anpassten und die Beziehung zwischen dem Reflexionskoeffizienten und verschiedenen Parametern analysierten. Sie schlugen eine präzise Methode vor, um die nahezu Nullreflexionsbedingung zu bestätigen. Anschließend bauten sie intrinsische Verluste in die Permittivitätstensoren ein und veranschaulichten damit eine neuartige Methode zur Erzielung einer asymmetrischen Wirbelübertragung.

Darüber hinaus haben sie, inspiriert von der experimentellen Realisierung elektromagnetischer und Wasserrotatoren, mithilfe kommerzieller 3D-Drucktechnologie auf Basis lichtempfindlicher Harze ein reales Muster entworfen, um experimentell eine asymmetrische Wirbelübertragung in akustischen Wellen zu realisieren. Diese Analyse des Winkel-Brewster-Effekts ermöglicht die asymmetrische Wirbelübertragung sowohl für elektromagnetische als auch für akustische Wellen, die aus dem kombinierten Einfluss von Drehwinkel und Eigenverlusten resultiert.

Dieses Design funktioniert nicht nur bei Breitbandfrequenzen, sondern bricht auch die Symmetrie zwischen positiven und negativen topologischen Ladungen und schafft so mehr Freiheitsgrade für zukünftige Implementierungen asymmetrischer OAM-Kommunikation. Dieses innovative Gerät ist für eine breite Palette von Anwendungen vielversprechend, die über optische und akustische Wellen hinaus bis hin zu elastischen Wellen, Wasserwellen und verschiedenen dynamischen Feldern reichen.

Die Untersuchung der asymmetrischen Übertragung und der nahezu Null-Reflexion von OAM verbessert nicht nur die Geschwindigkeit und Qualität der Datenübertragung, sondern verringert auch Signalverlust und -verzerrung und ebnet so den Weg für zuverlässigere Kommunikationsnetzwerke in der Zukunft.

Diese Studie wurde von Professor Huanyang Chen (Fakultät für Physik, Hochschule für Physikalische Wissenschaften und Technologie, Universität Xiamen) und Dr. Shan Zhu (Quantenforschungszentrum der Guangdong-Hongkong-Macao Greater Bay Area) geleitet. Sie haben eine universelle Theorie des Brewster-Effekts vorgestellt, die eine Kontrolle sowohl des Impulses als auch des Bahndrehimpulses (OAM) ermöglicht.