（左图）横向电场和横向磁场波面之间界面处的模拟线型波。（右图）在界面处支持线型波的制造板。由Bisharat等供图©2017 American Physical Society

物理学家已经展示了一种称为“线型波”的新型电磁波模式，其在具有不同电磁特性的两个相邻表面之间沿无限细的线行进。科学家希望线型波可以有效地用于路由和集中电磁能量，在诸如集成光子学、光物质相互作用和手性量子光学等领域具有潜在的应用。

香港城市大学和加州大学圣地亚哥分校的Dia'aaldin J. Bishara研究员，以及加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Daniel F. Sievenpiper研究员都在近期的“Physical Review Letters”期刊发表了关于线型波的文章。

“它们是第一个被无穷小的一维物体引导的电磁波，”Sievenpiper告诉世界科技研究新闻资讯网（Phys.org）。“波导只不过是两个相邻薄片或平面之间界面处的一条线，这也形成了非常高的场集中度，并且电磁场在线上实际上具有奇点，意味着它们在数学上接近无穷大，当然，在有限厚度的实际材料中，这些场不会是无限的，但仍然可以做到非常集中。”

正如物理学家所解释的那样，新的电磁线型波使人们想起电磁表面波，它发生在两个不同类型表面之间的界面上。表面波可用于强烈地限制和引导光，其在能量传输和通信应用方面是具有应用价值的。

线型波与表面波相似，因为它们也被限制在两个表面之间的界面处，但是线型波的表面是并排放置的，将界面限制在一条线上。实现线型波的关键是其中一个表面是电感的，而另一个是电容的。而电感面支持横向磁极化波，电容面支持横向电极化波。当两个表面类型并排放置时，这两个不同的边界能够支持界面处的线型波。物理学家认为线型波的另一个重要特征是可以自然地防止后向散射。

“线型波还具有另一个特殊的属性，即相反的极化只能在相反的方向传播，”Sievenpiper说。“这意味着线路中的缺陷不能将散射波回到原始位置，所以这种类型的波导自然地防止了不必要的反射，这与最近开发的光子拓扑绝缘体类似，但线型波具有诸如更宽带宽的一些优点，并且它们制作简单。”

模拟显示控制线型波的不同方式。由Bisharat等供图©2017 American Physical Society

科学家们通过使用周期性的超颖表面材料，在实验和模拟中展示了线型波，他们期望通过使用其他材料进一步增加工作范围。一种可能材料是石墨烯，可以被设计为电感面或电容面，这取决于其掺杂水平。

为了证明对线型波的控制，物理学家在模拟中显示了如何沿着弯曲的路径引导线型波，并且通过路由产生急转弯。通过控制路径可以限制和传输电磁能的这种能力，对构建网络设备和集成光子学应用是有价值的，研究人员计划未来更深入的研究。

“线型波可以用于集成光波导，”Sievenpiper说。“它们的场高度集中性可能允许更高性能的光学调制器或更敏感的化学探测器。它们支持单向传播而没有后向散射的特性，使其应用于光隔离器或环行器成为可能。如果使用诸如石墨烯这样的材料制作，则线型波导可以像电路一样可重新配置，从而实现可编程光路。”

未来，研究人员计划着手实现这些可编程光路。

“我们正在开展基于线型波的两个新项目，第一个项目是将它们缩小到光学频率，并展示光子器件，如隔离器和调制器，其性能优于传统器件。下一步将是使用可调谐材料制造可重构性光路。”

“我们还计划将这一概念从电磁领域扩展到声学领域的声波，从而使具有新特性的材料能够控制振动、声音传播和热传播。”

来源：https://phys.org/news/2017-09-physicists-electromagnetic-infinitesimal-line.html

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