Fysiker bygger diod för elektromagnetiska vågor

Den elektroniska dioden är en enhet som tillåter ström att färdas i en riktning men inte i den andra. Det gör dem praktiska saker att ha i närheten. Så praktiskt faktiskt att du skulle bli svårt att hitta en elektronisk enhet som inte innehåller en. Det är ingen överdrift att säga att de har blivit en av de grundläggande byggstenarna i den moderna världen.

Fysiker har sedan en tid tillbaka vetat att det är möjligt att tillverka diodliknande enheter för elektromagnetiska vågor. Matematiken för elektromagnetisk vågutbredning tyder på att vissa typer av material bör tillåta polariserade vågor att passera i en riktning men inte den andra när de badar i ett magnetfält. Ingenjörer kan lätt bygga en sådan enhet men dess effekt är vad fysiker kallar linjär, vilket betyder att mängden ljus du får ut är proportionell mot fästet du sätter i.

Det är inte riktigt så en elektronisk diod fungerar. Dess beteende är olinjärt vilket betyder att en liten förändring i inmatningen kan ha en mssiv förändring i utdata. Till exempel kan en liten förändring i den elektroniska strömmen göra att utströmmen faller till noll. Detta mycket olinjära beteende är det som gör elektroniska dioder så användbara.

Så det är inte konstigt att fysiker har letat efter sätt att göra något liknande med elektromagnetiska vågor. De vet till exempel att litiumjodatkristaller beter sig så här, förutom att effekten är liten. Före uppfinningen av lasern trodde fysiker att ljusintensiteten som var nödvändig för att se effekten bara kunde existera inuti stjärnor.

Idag säger Ilya Shadrivov vid Australian National University i Canberra och kompisar att det är möjligt att göra mycket bättre än så här tack vare den olinjära magin hos matematerial, saker som har konstruerats för att manipulera beteendet hos ljus som färdas genom det.

Metamaterial byggs med hjälp av upprepade uppsättningar av elektroniska komponenter som motstånd och kondensatorer av olika former som tillsammans interagerar med elektromagnetiska vågor. Dessa komponenter är som molekyler eller metamolekyler - de är de saker som metamaterial är gjorda av.

Shadrivov och co säger att det är möjligt att skapa diodliknande beteende med hjälp av en metamolekyl gjord av två ledningar åtskilda av en dielektrisk skiva och roterade i förhållande till varandra.

En mikrovågsugn som passerar genom ledningar genererar strömmar i var och en som tenderar att interagera. Vid vissa frekvenser förstärker eller tar ut dessa strömmar. Att lägga till en olinjär diod till en av ledningarna gör också effekten av metamolekylen olinjär.

Resultatet är en enhet som fungerar som en diod för högerhänt polariserat ljus av en specifik frekvens, men som är helt transparent för vänsterhänt polariserat ljus. Riktningen för tillåten överföring beror på mikrovågornas frekvens. Och enhetens kiralitet kan vändas genom att ändra den relativa vinkeln på ledningarna.

Rita detta beteende och du kan omedelbart se komplexiteten i svarskurvan. Transmissionskurvorna säger att Shadrivov och co har en anmärkningsvärd likhet med I-V-svaret hos en elektronisk diod.

Detta är en stark effekt, till skillnad från den som ses i litiumjodat. Sändningen i en riktning kan skilja sig från den i den andra med 18dB, det är en faktor på 65. Och totalt överstiger den nya effekten den som finns i litiumjodat med 12 storleksordningar, säger Shadrivov och kompisar. Inte dåligt!

Men den här enheten kan vara ännu viktigare. Transmissionskurvan visar en hystereseffekt. Det betyder att den faktiska intensiteten av det transmitterade ljuset tar olika värden för samma ingång, beroende på enhetens historia.

Om det låter bekant beror det på att det är väldigt likt typ av beteende förekommer i memristorer .

Memristorer är en av de grundläggande byggstenarna i elektroniska kretsar, tillsammans med motståndskondensatorer och induktorer. Deras existens ansågs vara helt teoretisk tills för bara några år sedan när ingenjörer vid HP Labs i Palo Alto snubblade över dem.

Deras stora löfte är att de kan användas för att bearbeta och lagra information eftersom de kan ha mer än en utgång med en viss ingång.

En förhoppning är att memristorer ska göra elektroniska logikkretsar enklare och därför billigare. En mer ambitiös tankegång är att memristorer kommer att möjliggöra helt nya typer av informationsbehandlingskretsar som mer efterliknar hur hjärnan fungerar. Vi väntar fortfarande på att se. Men det råder ingen brist på folk som försöker.

Tanken att liknande typ av anordning skulle kunna fungera på elektromagnetiska vågor, om så visar sig vara fallet, kan utlösa en liknande typ av guldrush. Övervaka den här ytan!

Ref: arxiv.org/abs/1010.5830 : Elektromagnetisk våganalog av elektronisk diod

Dölj