Natuurkundigen bouwen diode voor elektromagnetische golven

De elektronische diode is een apparaat waarmee stroom in de ene richting kan lopen, maar niet in de andere. Dat maakt ze handige dingen om bij je te hebben. Zo handig zelfs dat het moeilijk zou zijn om een ​​elektronisch apparaat te vinden dat er geen bevat. Het is niet overdreven om te zeggen dat ze een van de fundamentele bouwstenen van de moderne wereld zijn geworden.

Natuurkundigen weten al een tijdje dat het mogelijk is om diode-achtige apparaten te maken voor elektromagnetische golven. De wiskunde van de voortplanting van elektromagnetische golven suggereert dat bepaalde soorten materiaal gepolariseerde golven in de ene richting zouden moeten laten passeren, maar niet in de andere wanneer ze in een magnetisch veld baden. Ingenieurs kunnen zo'n apparaat gemakkelijk bouwen, maar het effect is wat natuurkundigen lineair noemen, wat betekent dat de hoeveelheid licht die je eruit haalt evenredig is met de berg die je erin steekt.

Dat is niet echt hoe een elektronische diode werkt. Het gedrag is niet-lineair, wat betekent dat een kleine verandering in de invoer een grote verandering in de uitvoer kan hebben. Een kleine verandering in de elektronische stroom kan bijvoorbeeld de uitgangsstroom tot nul doen dalen. Dit zeer niet-lineaire gedrag maakt elektronische diodes zo nuttig.

Het is dus geen wonder dat natuurkundigen hebben gezocht naar manieren om iets soortgelijks te doen met elektromagnetische golven. Ze weten bijvoorbeeld dat lithiumjodaatkristallen zich zo gedragen, alleen is het effect miniem. Vóór de uitvinding van de laser dachten natuurkundigen dat de lichtintensiteit die nodig is om het effect te zien alleen in sterren kon bestaan.

Tegenwoordig zeggen Ilya Shadrivov van de Australian National University in Canberra en vrienden dat het veel beter kan dan dit dankzij de niet-lineaire magie van matematerialen, dingen die zijn ontworpen om het gedrag van licht dat er doorheen reist te manipuleren.

Metamaterialen worden gebouwd met behulp van herhalende reeksen elektronische componenten zoals weerstanden en condensatoren van verschillende vormen die samen interageren met elektromagnetische golven. Deze componenten zijn als moleculen, of metamoleculen - ze zijn het materiaal waaruit metamaterialen worden gemaakt.

Shadrivov en co zeggen dat het mogelijk is om diode-achtig gedrag te creëren met behulp van metamolecuul gemaakt van twee draden gescheiden door een diëlektrische plaat en ten opzichte van elkaar geroteerd.

Een microgolf die door draden gaat, wekt in elk stromen op die de neiging hebben om op elkaar in te werken. Bij bepaalde frequenties versterken of heffen deze stromen elkaar op. Door een niet-lineaire diode aan een van de draden toe te voegen, wordt het effect van het metamolecuul ook niet-lineair.

Het resultaat is een apparaat dat fungeert als een diode voor rechtshandig gepolariseerd licht van een bepaalde frequentie, maar volledig transparant is voor linkshandig gepolariseerd licht. De richting van de toegestane transmissie hangt af van de frequentie van de microgolven. En de chiraliteit van het apparaat kan worden omgekeerd door de relatieve hoek van de draden te veranderen.

Plot dit gedrag en je ziet meteen de complexiteit van de responscurve. Volgens de transmissiecurves hebben Shadrivov en co een opmerkelijke overeenkomst met de I-V-respons van een elektronische diode.

Dit is een sterk effect, anders dan bij lithiumjodaat. De transmissie in de ene richting kan 18 dB verschillen van die in de andere, dat is een factor 65. En in totaal overtreft het nieuwe effect dat in lithiumjodaat met 12 ordes van grootte, zeggen Shadrivov en vrienden. Niet slecht!

Maar dit apparaat kan nog belangrijker zijn. De transmissiecurve vertoont een hysterese-effect. Dat betekent dat de werkelijke intensiteit van het doorgelaten licht verschillende waarden aanneemt voor dezelfde ingang, afhankelijk van de geschiedenis van het apparaat.

Als dat bekend klinkt, komt dat omdat het erg op elkaar lijkt soort gedrag komt voor in memristors .

Memristors zijn een van de fundamentele bouwstenen van elektronische schakelingen, samen met weerstanden, condensatoren en inductoren. Tot een paar jaar geleden werd gedacht dat hun bestaan ​​volledig theoretisch was, toen ingenieurs van HP Labs in Palo Alto ze tegenkwamen.

Hun grote belofte is dat ze kunnen worden gebruikt om informatie te verwerken en op te slaan, omdat ze meer dan één output kunnen hebben bij een bepaalde input.

Een hoop is dat memristors elektronische logische circuits eenvoudiger en dus goedkoper zullen maken. Een ambitieuzere gedachtegang is dat memristors volledig nieuwe soorten informatieverwerkingscircuits mogelijk zullen maken die de manier waarop de hersenen werken beter nabootsen. We wachten nog steeds om te zien. Maar er is geen gebrek aan mensen die het proberen.

Het idee dat een vergelijkbaar type apparaat op elektromagnetische golven zou kunnen werken, als dat het geval blijkt te zijn, zou een vergelijkbare soort goudkoorts kunnen veroorzaken. Bekijk deze ruimte!

Referentie: arxiv.org/abs/1010.5830 : Elektromagnetische golf analoog van elektronische diode

zich verstoppen