Ein nicht-reziproker Metasurface basierend auf magnetischen Meta-Atomen.

12. April 2023 feature

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von Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Metasurfaces, zweidimensionale oder flache Versionen von Metamaterialien, weisen Eigenschaften auf, die in natürlichen Materialien normalerweise nicht vorkommen. Da sie flach sind, können diese Materialien normalerweise mit weit verbreiteten Fertigungsverfahren hergestellt werden und können dazu beitragen, die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in verschiedenen Geräten zu kontrollieren.

Die meisten Metasurfaces folgen den Regeln des sogenannten Lorentz-Reziprozitätstheorems, das bedeutet im Wesentlichen, dass sie Eigenschaften aufweisen, die symmetrisch zur Richtung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ausgerichtet sind. Nicht-reziproke Metasurfaces sind eine aufstrebende Gruppe von Metasurfaces, die das Lorentz-Reziprozitätstheorem nicht beachten.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Metasurfaces könnten nicht-reziproke Metasurfaces optische Funktionen auf Wellen kodieren, die sowohl vorwärts als auch rückwärts propagieren. Diese Eigenschaft könnte sie besonders vielversprechend machen für die Entwicklung verschiedener Technologien, einschließlich nicht-reziproker Antennen oder schützender Strukturen, die als Radome bekannt sind und die den Betrieb von Radarantennen oder drahtlosen Kommunikationssystemen gewährleisten sollen.

Forscher der University of Electronic Science and Technology of China und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben kürzlich ein neues nicht-reziprokes und magnetisches Metasurface entwickelt, das zur Erstellung neuer Geräte mit verschiedenen nicht-reziproken Funktionalitäten verwendet werden konnte. Dieses Metasurface, das in Nature Electronics vorgestellt wurde, wurde unter Verwendung einer Reihe von selbst-biasierten magnetischen Meta-Atomen aus Lanthan(La)-dotiertem Bariumhexaferrit (BaFe12O19) hergestellt.

"Wir berichten über eine selbstbiasierte nicht-reziproke Oberfläche, die auf magnetischen Meta-Atomen aus La-dotiertem BaFe12O19 basiert", schrieben Weihao Yang, Jun Qin und ihre Kollegen in ihrem Papier. "Die Oberfläche bietet eine Durchlässigkeit von bis zu 77% und einen Betriebswinkel von ±64°."

Im Wesentlichen kann jedes der im nicht-reziproken Metasurface enthaltenen Meta-Atome entlang unterschiedlicher Richtungen individuell magnetisiert werden. Basierend auf diesem Schlüsselmerkmal ihres Designs waren die Forscher in der Lage, ihre Metasurfaces zu entwickeln, um bidirektionale, nicht-reziproke Phasen-Gradienten-Profile zu erreichen.

In ersten Experimenten zeigten sie dann, dass die resultierenden Metasurfaces eine breite Palette von Funktionalitäten ermöglichen können, die vorteilhaft für die Erstellung verschiedener Geräte und elektronischer Komponenten sein könnten. Sie könnten beispielsweise verwendet werden, um eine elektromagnetische Wellenisolation, Zirkulation und vollduplexe Übertragung zu erreichen.

"Wir zeigen, dass sie für die bidirektionale Phasenmodulation auf Anfrage verwendet werden können, die nicht-reziproke Funktionen wie Mikrowellenisolation, nicht-reziproke Strahlsteuerung, nicht-reziproke Fokussierung und nicht-reziproke Holographie bietet", schrieben Yang, Qin und ihre Kollegen in ihrem Papier. "Der Ansatz könnte auch potenziell auf Megahertz- und optische Frequenzen durch den Einsatz unterschiedlicher selbst-biasierter magnetischer Materialien erweitert werden."

In Zukunft könnten die von Yang, Qin und ihren Kollegen entwickelten nicht-reziproken Metasurfaces verwendet werden, um neue vielversprechende Elektronikprodukte wie nicht-reziproke Antennen und Radome zu entwickeln. Darüber hinaus könnte das innovative Design, das sie geschaffen haben, andere Teams dazu inspirieren, ähnliche Metasurfaces auf der Basis von selbst-biasierten magnetischen Meta-Atomen zu entwickeln.

In ihren nächsten Studien könnten die Forscher die Betriebsfrequenz ihrer Metasurfaces unter Verwendung unterschiedlicher selbst-biasierter Meta-Atome erweitern und potenziell Megahertz-bis optische Frequenzen abdecken. Darüber hinaus planen sie, die Gesamtleistung von Geräten, die auf ihren Metasurfaces basieren, weiter zu verbessern, beispielsweise durch die Reduzierung von Effizienz-, Einfüge- und Reflexionsverlusten, die mit ihrem derzeitigen Design verbunden sind.

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