Новый подход, основанный на возбуждениях с комплексной частотой, открывает возможности для управления волнами, такими как свет и звук, преодолевая ограничения, накладываемые свойствами материалов. Этот метод, подробно описанный в журнале Science, концентрируется на настройке входного сигнала (возбуждения), а не на модификации самих материалов или добавлении энергии в систему.
Традиционные методы контроля волновых явлений сталкиваются с фундаментальными ограничениями, связанными со свойствами используемых материалов. Это влияет на эффективность и возможности таких технологий, как беспроводная сотовая связь, микроскопы, динамики и наушники. Попытки обойти эти ограничения часто требуют применения экзотических материалов, добавления внешних источников энергии или усложнения конструкции устройств, делая их громоздкими.
Исследователи предлагают альтернативу – использование возбуждений, осциллирующих на комплексных частотах. Суть метода заключается в применении сигналов, амплитуда которых экспоненциально нарастает или затухает со временем. При определенных условиях такие сигналы способны активировать естественные резонансы и антирезонансы системы, эффективно имитируя эффекты добавления точно распределенного усиления или потерь в материале.
Ключевое преимущество этого подхода состоит в достижении необычных волновых эффектов без необходимости использования активных компонентов, требующих энергии и подверженных нестабильности. Метод позволяет работать с обычными, пассивными материалами, изменяя лишь характер входящего сигнала.
Исследование возглавил Андреа Алу, выдающийся профессор и профессор физики имени Эйнштейна в Высшей школе Городского университета Нью-Йорка (CUNY Graduate Center), а также основатель и директор Инициативы по фотонике Передового научно-исследовательского центра CUNY (CUNY ASRC Photonics Initiative). Первым автором исследования является Сынгви Ким, постдокторант в CUNY ASRC. В работе также участвовали специалисты из Международного университета Флориды (FIU), в частности с кафедры электротехники и компьютерной инженерии.
Применение комплексных частот позволяет эмулировать наличие усиления и потерь в системе, открывая доступ к таким явлениям, как идеальное поглощение волн и визуализация со сверхвысоким разрешением. Этот метод также позволяет преодолеть ограничения пассивности во взаимодействиях волн с веществом и реализовать неэрмитовы отклики системы.
«Этот подход представляет собой фундаментально новую стратегию управления волнами», — отмечает Андреа Алу. «Мы больше не ограничены платформой материала для улучшения характеристик устройства. Теперь мы можем формировать отклик систем, основанных на волнах, просто разрабатывая правильные типы возбуждений».
Развитие этого направления не только углубляет фундаментальное понимание взаимодействия волн с веществом, но и открывает новую эру для технологий, использующих волновые процессы. Как подчеркивают исследователи, работа закладывает основу и предлагает дорожную карту для дальнейших исследований в различных областях физики волн.
Среди уже продемонстрированных группой профессора Алу приложений — управляемое и улучшенное накопление энергии, визуализация со сверхразрешением, повышение эффективности беспроводной передачи энергии и манипулирование волнами за пределами ограничений пассивности. Общие области применения включают динамическое управление светом, поглощение и усиление сигналов, направленную передачу волн и улучшенный контроль квантовых состояний.
В перспективе метод комплексных частот может привести к созданию медицинских систем визуализации с более высоким разрешением, более эффективных систем беспроводной связи и улучшенных методов управления квантовыми состояниями для квантовых вычислений и сенсоров.
Несмотря на успехи, текущие демонстрации метода были ограничены радиочастотным и акустическим диапазонами. Основной вызов на будущее — масштабирование этой техники для работы на более высоких частотах, в частности, в оптических системах. Исследование неиспользованного потенциала возбуждений с комплексной частотой продолжается в различных областях физики волн.
Изображение носит иллюстративный характер
Традиционные методы контроля волновых явлений сталкиваются с фундаментальными ограничениями, связанными со свойствами используемых материалов. Это влияет на эффективность и возможности таких технологий, как беспроводная сотовая связь, микроскопы, динамики и наушники. Попытки обойти эти ограничения часто требуют применения экзотических материалов, добавления внешних источников энергии или усложнения конструкции устройств, делая их громоздкими.
Исследователи предлагают альтернативу – использование возбуждений, осциллирующих на комплексных частотах. Суть метода заключается в применении сигналов, амплитуда которых экспоненциально нарастает или затухает со временем. При определенных условиях такие сигналы способны активировать естественные резонансы и антирезонансы системы, эффективно имитируя эффекты добавления точно распределенного усиления или потерь в материале.
Ключевое преимущество этого подхода состоит в достижении необычных волновых эффектов без необходимости использования активных компонентов, требующих энергии и подверженных нестабильности. Метод позволяет работать с обычными, пассивными материалами, изменяя лишь характер входящего сигнала.
Исследование возглавил Андреа Алу, выдающийся профессор и профессор физики имени Эйнштейна в Высшей школе Городского университета Нью-Йорка (CUNY Graduate Center), а также основатель и директор Инициативы по фотонике Передового научно-исследовательского центра CUNY (CUNY ASRC Photonics Initiative). Первым автором исследования является Сынгви Ким, постдокторант в CUNY ASRC. В работе также участвовали специалисты из Международного университета Флориды (FIU), в частности с кафедры электротехники и компьютерной инженерии.
Применение комплексных частот позволяет эмулировать наличие усиления и потерь в системе, открывая доступ к таким явлениям, как идеальное поглощение волн и визуализация со сверхвысоким разрешением. Этот метод также позволяет преодолеть ограничения пассивности во взаимодействиях волн с веществом и реализовать неэрмитовы отклики системы.
«Этот подход представляет собой фундаментально новую стратегию управления волнами», — отмечает Андреа Алу. «Мы больше не ограничены платформой материала для улучшения характеристик устройства. Теперь мы можем формировать отклик систем, основанных на волнах, просто разрабатывая правильные типы возбуждений».
Развитие этого направления не только углубляет фундаментальное понимание взаимодействия волн с веществом, но и открывает новую эру для технологий, использующих волновые процессы. Как подчеркивают исследователи, работа закладывает основу и предлагает дорожную карту для дальнейших исследований в различных областях физики волн.
Среди уже продемонстрированных группой профессора Алу приложений — управляемое и улучшенное накопление энергии, визуализация со сверхразрешением, повышение эффективности беспроводной передачи энергии и манипулирование волнами за пределами ограничений пассивности. Общие области применения включают динамическое управление светом, поглощение и усиление сигналов, направленную передачу волн и улучшенный контроль квантовых состояний.
В перспективе метод комплексных частот может привести к созданию медицинских систем визуализации с более высоким разрешением, более эффективных систем беспроводной связи и улучшенных методов управления квантовыми состояниями для квантовых вычислений и сенсоров.
Несмотря на успехи, текущие демонстрации метода были ограничены радиочастотным и акустическим диапазонами. Основной вызов на будущее — масштабирование этой техники для работы на более высоких частотах, в частности, в оптических системах. Исследование неиспользованного потенциала возбуждений с комплексной частотой продолжается в различных областях физики волн.
