Physiker bauen Dioden für elektromagnetische Wellen

Die elektronische Diode ist ein Gerät, das Strom in eine Richtung fließen lässt, aber nicht in die andere. Das macht sie zu praktischen Dingen, die man in der Nähe haben kann. So praktisch, dass Sie kaum ein elektronisches Gerät finden werden, das keines enthält. Es ist nicht übertrieben zu sagen, dass sie zu einem der grundlegenden Bausteine ​​der modernen Welt geworden sind.

Physiker wissen seit einiger Zeit, dass es möglich ist, diodenartige Geräte für elektromagnetische Wellen herzustellen. Die Mathematik der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen legt nahe, dass bestimmte Arten von Materialien polarisierte Wellen in eine Richtung passieren lassen sollten, aber nicht in die andere, wenn sie in ein Magnetfeld gebadet werden. Ingenieure können ein solches Gerät leicht bauen, aber seine Wirkung wird von Physikern als linear bezeichnet, was bedeutet, dass die Lichtmenge, die Sie ausstrahlen, proportional zu der von Ihnen eingesetzten Halterung ist.

So verhält sich eine elektronische Diode nicht wirklich. Sein Verhalten ist nichtlinear, was bedeutet, dass eine kleine Änderung der Eingabe eine große Änderung der Ausgabe nach sich ziehen kann. Beispielsweise kann eine kleine Änderung des elektronischen Stroms den Ausgangsstrom auf Null absinken lassen. Dieses stark nichtlineare Verhalten macht elektronische Dioden so nützlich.



Kein Wunder also, dass Physiker nach Wegen gesucht haben, etwas Ähnliches mit elektromagnetischen Wellen zu tun. Sie wissen zum Beispiel, dass sich Lithiumjodatkristalle so verhalten, nur dass der Effekt winzig ist. Vor der Erfindung des Lasers dachten Physiker, dass die Lichtintensität, die notwendig ist, um den Effekt zu sehen, nur in Sternen existieren könnte.

Heute sagen Ilya Shadrivov von der Australian National University in Canberra und seine Freunde, dass es dank der nichtlinearen Magie von Matealien, die entwickelt wurden, um das Verhalten des Lichts zu manipulieren, viel besser ist als dies.

Metamaterialien werden aus sich wiederholenden Anordnungen elektronischer Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren verschiedener Formen hergestellt, die zusammen mit elektromagnetischen Wellen interagieren. Diese Komponenten sind wie Moleküle oder Metamoleküle – sie sind der Stoff, aus dem Metamaterialien hergestellt werden.

Shadrivov und Co. sagen, dass es möglich ist, ein diodenähnliches Verhalten zu erzeugen, indem ein Metamolekül verwendet wird, das aus zwei Drähten besteht, die durch eine dielektrische Schicht getrennt und relativ zueinander gedreht werden.

Eine Mikrowelle, die durch Drähte hindurchgeht, erzeugt Ströme in jedem, die dazu neigen, zu interagieren. Bei bestimmten Frequenzen verstärken oder heben sich diese Ströme wieder auf. Das Hinzufügen einer nichtlinearen Diode zu einem der Drähte macht den Effekt des Metamoleküls ebenfalls nichtlinear.

Das Ergebnis ist ein Gerät, das als Diode für rechtshändig polarisiertes Licht einer bestimmten Frequenz fungiert, aber für linkshändig polarisiertes Licht vollständig transparent ist. Die zulässige Senderichtung hängt von der Frequenz der Mikrowellen ab. Und die Chiralität des Geräts kann durch Ändern des relativen Winkels der Drähte umgekehrt werden.

Plotten Sie dieses Verhalten und Sie können sofort die Komplexität der Antwortkurve sehen. Die Transmissionskurven besagen, dass Shadrivov und Co. eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit der I-V-Reaktion einer elektronischen Diode aufweisen.

Dies ist ein starker Effekt, im Gegensatz zu dem, der bei Lithiumjodat beobachtet wird. Die Übertragung in die eine Richtung kann sich von der in die andere um 18 dB unterscheiden, das ist ein Faktor von 65. Und insgesamt übertrifft der neue Effekt den von Lithiumjodat um 12 Größenordnungen, sagen Shadrivov und Freunde. Nicht schlecht!

Aber dieses Gerät kann noch bedeutender sein. Die Transmissionskurve zeigt einen Hystereseeffekt. Das bedeutet, dass die tatsächliche Intensität des durchgelassenen Lichts je nach Vorgeschichte des Geräts unterschiedliche Werte für denselben Eingang annimmt.

Wenn das bekannt vorkommt, liegt es daran, dass es sehr ähnlich ist Verhalten tritt bei Memristoren auf .

Memristoren sind neben Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten einer der grundlegenden Bausteine ​​elektronischer Schaltungen. Ihre Existenz galt bis vor wenigen Jahren als rein theoretisch, als Ingenieure der HP Labs in Palo Alto auf sie stießen.

Ihr großes Versprechen besteht darin, dass sie zur Verarbeitung und Speicherung von Informationen verwendet werden können, da sie bei einer bestimmten Eingabe mehr als eine Ausgabe haben können.

Eine Hoffnung ist, dass Memristoren elektronische Logikschaltungen einfacher und damit billiger machen. Eine ehrgeizigere Denkweise ist, dass Memristoren völlig neue Arten von Schaltkreisen zur Informationsverarbeitung ermöglichen werden, die die Funktionsweise des Gehirns besser nachahmen. Wir warten immer noch darauf, zu sehen. Aber es mangelt nicht an Leuten, die es versuchen.

Die Idee, dass ein ähnlicher Gerätetyp mit elektromagnetischen Wellen betrieben werden könnte, könnte einen ähnlichen Goldrausch auslösen. Beobachten Sie diesen Raum!

Ref: arxiv.org/abs/1010.5830 : Elektromagnetisches Wellenanalog der elektronischen Diode

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