Application of Space-and Time-Modulated Dispersion Engineered Metamaterials to Signal Processing and Magnetless NONRECIPROCITY

Les métamatériaux sont des structures conçues pour intéragir avec les composantes électriques et magnétiques de la lumière d'une manière particulière qui n'est pas possible avec des matériaux naturels. Elles sont composées de méta-atomes, qui sont faits d'un ensemble d'éléments de taille plus petite que la longueur d'onde, réalisés à partir de matériaux composites tels que des métaux ou des diélectriques. Les métamatériaux acquièrent leurs propriétés de leur structure macroscopique plutôt que des propriétés microscopiques des élements qui les composent. Le mot « méta » provient du Grec dont la signification est au-delà, indiquant le concept d'une abstraction au-delà d'un autre concept. Les métamatériaux statiques conventionnels tirent profit de l'ingénierie spatiale de la dispersion pour présenter des propriétés exotiques non observées dans les matériaux usuels, tel qu'un indice de réfraction négatif. Un type plus sophistiqué de métamatériaux statiques, basé sur une structure dispersive modulée spatialement, peut être employé pour former un manteau d'invisibilité. Au cours de la dernière décennie, les métamatériaux dynamiques ont été présentés comme une nouvelle génération de systèmes électromagnétiques versatiles et ont rapidement acquis un grand intérêt de la part de la communauté scientifique. Les milieux modulés dans “l'espacetemps”, dont les paramètres constitutifs varient périodiquement dans l'espace et le temps, représentent une classe avancée de métamatériaux dynamiques non-réciproques. De tels milieux sont dotés de propriétés particulières telles que la capacité à générer des fréquences de façon non-réciproque. Contrairement aux métamatériaux périodiques statiques tels que les cristaux photoniques, les milieux modulés dans l'espace-temps présentent une dispersion asymétrique. D'ailleurs, par analogie avec les milieux en mouvement, où la vitesse du milieu est limitée à la vitesse de la lumière, les milieux modulés dans l'espace-temps peuvent acquérir des vitesses subluminales et superluminales. En conséquence, un éventail varié de bandes d'énergie orientées horizontalement, obliquement et verticalement sont accessibles dans les milieux modulés dans l'espace-temps, alors que dans les métamatériaux conventionnels ou les réseaux de Bragg, les bandes d'énergie sont seulement orientées horizontalement. Ces bandes d'énergie obliques et verticales apportent des degrés de liberté additionnels qui peuvent être utilisés pour la conception de différents systèmes électromagnétiques. La non-réciprocité basée sur la modulation dans l'espace-temps offre un chemin viable vers la conception de systèmes électromagnétiques non-réciproques intégrés.

Abstract

Metamaterials are engineered structures which interact with the electric and magnetic components of light in a peculiar way that natural materials do not. These so-called meta-atoms are made of assemblies of subwavelengthly spaced elements fashioned from composite materials such as metals or dielectrics. Metamaterials acquire their properties from their macroscopic structure rather than the microscopic material of which they are made of. The word “Meta” originates from Greek whose meaning is beyond, indicating a concept as an abstraction beyond another concept. Conventional static metamaterials take advantage of spatial dispersion engineering to exhibit exotic properties not observed in bulk materials, such as for instance negative refractive index. A more sophisticated type of conventional static metamaterials based on a space-modulated (gradient-index) spatially dispersive structure, was used to form an invisibility cloak. Over the past decade, dynamic metamaterials, as a new generation of versatile electromagnetic systems, have been introduced and soon acquired a surge of scientific interest. “Spacetime modulated” media, whose constitutive parameters are periodically varying in space and time, represent an advanced class of nonreciprocal dynamic metamaterials. Such media are endowed with peculiar properties such as nonreciprocal frequency generation. In contrast to static periodic metamaterials such as photonic crystals, periodic space-time modulated media exhibit asymmetric dispersion. Moreover, by analogy with the moving media, where the velocity of the medium is limited to the speed of light, space-time modulated medium may acquire both subluminal and superluminal velocities. As a result, a diverse range of horizontally-, obliquely- and vertically-oriented electromagnetic band-gaps are accessible in space-time modulated media, compared to horizontal bandgaps in conventional metamaterials and Bragg structures. These oblique and vertical electromagnetic band-gaps offer extra degrees of freedom which may be leveraged for the design of different electromagnetic systems. Nonreciprocity based on space-time modulation grants a viable path towards integrated nonreciprocal electromagnetic systems. This addresses issues of conventional nonreciprocity techniques, such as for instance bulkiness and incompatibility with integrated circuit technology in magnet-based nonreciprocity, and signal power restrictions in nonlinear-based nonreciprocity. Space and time modulation combined with spatial and temporal dispersion engineering techniques offers a variety of unique electromagnetic properties to be discovered.