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Jul 03, 2023

Um parafuso de Arquimedes para luz

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2523 (2022) Citar este artigo 4071 Acessos 12 citações 3 Detalhes de métricas altmétricas Uma correção do editor para este artigo foi publicada em 03 de agosto

Nature Communications volume 13, número do artigo: 2523 (2022) Citar este artigo

4071 Acessos

12 citações

3 Altmétrico

Detalhes das métricas

Uma correção do editor para este artigo foi publicada em 3 de agosto de 2022

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Um Parafuso de Arquimedes captura água, alimentando-a com energia e elevando-a a um nível superior. Apresentamos a primeira instância de um Parafuso de Arquimedes óptico e demonstramos como este sistema é capaz de capturar luz, arrastá-la e amplificá-la. Nós revelamos novas soluções analíticas exatas para as Equações de Maxwell para uma ampla família de meios espaço-temporais quirais e mostramos seu potencial para alcançar amplificação quiralmente seletiva dentro de fases quebradas por paridade e tempo amplamente ajustáveis. Nosso trabalho, que pode ser prontamente implementado por meio de experimentos de sonda de bomba com feixes circularmente polarizados, abre uma nova direção na física dos meios variantes no tempo, fundindo o campo crescente dos metamateriais do espaço-tempo e dos sistemas quirais, e oferece um novo playground para fotônica topológica e não-Hermitiana, com aplicações potenciais para espectroscopia quiral e detecção.

Aspectos fundamentais das interações de ondas em sistemas dependentes do tempo atraíram recentemente um interesse renovado, graças à descoberta de materiais ultrafinos e altamente não lineares. Livres de restrições como reciprocidade e conservação de energia, estes sistemas podem permitir comportamentos de ondas novos e exóticos. Neste trabalho abrimos uma nova direção no campo ascendente dos metamateriais espaço-temporais, misturando-os pela primeira vez com o campo estabelecido dos sistemas quirais, realizando o análogo eletromagnético do famoso parafuso de Arquimedes para fluidos.

A importância dos meios variantes no tempo para a manipulação de ondas surgiu das diversas propostas em meio à busca de uma década para alcançar a não reciprocidade livre de ímãs, tanto na fotônica 1,2,3 quanto nas ondas mecânicas . A estruturação temporal da matéria abre vários novos caminhos para o controle de ondas: modulações periódicas de parâmetros de materiais podem permitir o projeto de fases topologicamente não triviais6, bem como isoladores topológicos Floquet7 e isoladores topológicos com dimensões de frequência sintética8. Além disso, a adaptação adequada da dependência temporal dos elementos reativos pode permitir a acumulação arbitrária de energia9, enquanto a introdução de elementos não-Hermitianos modulados no tempo pode levar a direção e ganho de modo não recíprocos10, bem como camuflagem de eventos e absorção perfeita11, e acoplamento de ondas superficiais em interfaces espacialmente planas . Em sistemas não periódicos, a comutação abrupta é a chave para novas direções, como reversão de tempo, refração de tempo e roteamento de ondas induzido por anisotropia, bem como conversão de frequência, aumento de largura de banda e localização de Anderson.

Além disso, com base na combinação de graus de liberdade espaciais e temporais, os metamateriais espaço-temporais, cujos parâmetros são modulados como uma onda viajante , adquiriram recentemente um impulso renovado, tanto por razões fundamentais, como eles permitem a imitação e generalização do movimento físico além das restrições relativísticas comuns, levando ao arrasto óptico26, localização27 e novos mecanismos de amplificação28,29, e para aplicações práticas como geração harmônica30, direção de feixe31 e combinação de potência de múltiplas fontes32. Experimentos bem-sucedidos com modulação espaço-temporal incluem trabalhos em acústica5,7,33 e elasticidade34, microondas3,30, no infravermelho35 e até mesmo em sistemas difusivos36, e recentemente começaram a se aproximar do domínio óptico37 graças à introdução de novos materiais altamente não lineares, como como ITO38 e AZO39. Finalmente, esquemas de homogeneização foram recentemente desenvolvidos para metamateriais temporais40,41 e espaçotemporais42.

Um campo de pesquisa multidisciplinar mais estabelecido, mas ainda desenfreado, é o dos sistemas quirais (observamos que o termo “quiral” também é usado para significar um meio com acoplamento bianisotrópico. Aqui, no entanto, nos referimos apenas ao seu caráter helicoidal, e propriedades de dicroísmo circular associadas). Devido às suas aplicações tecnológicas cruciais, que vão desde tecnologia de exibição até espectroscopia e biossensor, o estudo matemático de sistemas eletromagnéticos quirais remonta a várias décadas43, com observações experimentais de atividade óptica que datam muito mais atrás, desde as primeiras observações de Biot e Pasteur no século XIX44. . As teorias dos meios quirais foram aplicadas com sucesso ao estudo de cristais líquidos colestéricos45, bem como a uma variedade de estruturas que ocorrem naturalmente46 e, desde o advento dos metamateriais, à refração negativa47,48,49, banda larga e atividade óptica aprimorada50, transmissão assimétrica51, 52,53 e, mais recentemente, topologia54.