¡Estos fenómenos físicos han subvertido mi visión del mundo como nunca antes!
#El encanto infinito que aporta la óptica de transformación
El principio básico de la óptica de transformación se basa en la invariancia espacial de las ecuaciones de Maxwell. En pocas palabras, cambiar nuestro espacio físico y mantener sin cambios el espacio de las ondas electromagnéticas.
Por ejemplo, la capa de invisibilidad, desde la perspectiva de las ondas electromagnéticas, el espacio en el que se encuentra no ha cambiado, por lo que no puede sentir la diferencia antes y después de la transformación, por lo que no puede decir si hay una objeto en la capa de invisibilidad. Pero desde la perspectiva de nuestro espacio, el espacio antes y después de la renovación es completamente diferente. El espacio transformado tiene un "agujero" que puede ocultar objetos.
Matemáticamente, las ecuaciones de Maxwell fuera del manto de invisibilidad tienen la misma explicación antes y después de la transformación. Esto no viola el teorema de unicidad, que describe el caso de medios isotrópicos. La composición de la capa de invisibilidad resulta ser un medio anisotrópico.
La capa de invisibilidad es probablemente lo más interesante que aporta la óptica de transformación. Por primera vez se ha demostrado matemáticamente la posibilidad de una capa de invisibilidad. Por supuesto que hay otras aplicaciones.
Capa de invisibilidad
Tenga en cuenta que las ondas electromagnéticas pasarán por alto un objeto como si el objeto no existiera para él.
Concentrador de ondas electromagnéticas
Todas las ondas electromagnéticas dentro del círculo con radio c se concentran dentro del círculo con radio a. Tenga en cuenta que las ondas electromagnéticas exteriores no se ven afectadas.
Aparato de dirección de ondas electromagnéticas
El campo magnético en un círculo con radio a gira 90°. Tenga en cuenta que las ondas electromagnéticas externas no se ven afectadas.
Súper Estampado
Cubre la estrella con un "bagel" para que parezca varias veces más grande. Tenga en cuenta que no hay punto ciego para la ampliación de 360°, a diferencia de una lupa.
Guía de ondas invisible
Guía de ondas doblada
Agujero negro óptico
Como sugiere el nombre, toda la luz que encuentre este dispositivo regresará.
Los agujeros negros ópticos en realidad utilizan materiales electromagnéticos para controlar la trayectoria de las ondas electromagnéticas y simular los cambios de trayectoria de la luz que cae en un agujero negro. Es bastante interesante desde esta perspectiva.
Hay muchas otras aplicaciones, así que no las enumeraré todas. Las ondas electromagnéticas se pueden manipular libremente cambiando la óptica, a diferencia de lo que se pensaba anteriormente.
#Las ondas electromagnéticas pasan a través de un túnel de guía de ondas muy pequeño.
Por ejemplo, cuando las ondas electromagnéticas pasan a través de un canal pequeño, la mayor parte de la energía se reflejará de regreso. Sin embargo, después de llenar este estrecho canal con un medio con constante dieléctrica cero, todas las ondas electromagnéticas en realidad quedan tunelizadas. Se trata de materiales con un índice de refracción cero y ondas electromagnéticas que se propagan en guías de ondas estrechas con una velocidad de fase infinita.
#superlens
Como todos sabemos, los microscopios ópticos tienen un límite de difracción, que es aproximadamente la mitad de la longitud de onda.
Sin embargo, las superlentes pueden superar el límite de difracción y resolver objetos con menos de la mitad de la longitud de onda.
Físicamente hablando, los microscopios ópticos sólo recogen ondas que se propagan, por lo que parte de la información se pierde y esta información queda contenida en ondas evanescentes.
Las llamadas ondas propagantes son ondas que pueden propagarse, mientras que las ondas evanescentes son ondas que no pueden propagarse, y sus ondas decaen exponencialmente en la dirección de propagación. La súper lente puede convertir ondas evanescentes en ondas que se propagan, de modo que podamos obtener la información en las ondas evanescentes.
#material de índice de refracción negativo
Los materiales de índice de refracción negativo se consideraban inexistentes en el último siglo, pero ahora están disponibles. La refracción negativa suele conseguirse mediante metamateriales, pero también son posibles los cristales fotónicos.
Los materiales con índice de refracción negativo tienen muchas propiedades contrarias a la intuición, como la radiación de Cherenkov inversa.
¿Qué es la radiación Cherenkov?
La radiación de Cherenkov generalmente significa que la velocidad de un objeto es mayor que la velocidad de propagación de las ondas en el medio. Las ondas aquí pueden ser ondas electromagnéticas, ondas sonoras, ondas de agua, etc.
Así que la línea de flotación producida por una lancha a motor que se desliza sobre el agua es radiación de Cherenkov. El estallido sónico producido por los aviones que viajan a velocidades supersónicas también es causado por la radiación de Cherenkov.
En ondas electromagnéticas:
Para un medio con un índice de refracción de 2, la velocidad límite de las ondas electromagnéticas es 0,5c (c es la velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío). Si se inyecta en este medio una partícula de alta energía a una velocidad de 0,6c, se producirá la llamada radiación Cherenkov. Entonces debería verse así:
Tenga en cuenta que la dirección de propagación de la energía aquí es la misma que la dirección de propagación de las ondas.
Si reemplazas este material por un material con índice de refracción negativo, sucederá algo sorprendente:
Se puede observar que la dirección de propagación de la energía es exactamente la misma que la de la onda. propagación en dirección opuesta.
También existe el efecto Doppler inverso, lo que significa que cuando la fuente de ondas electromagnéticas está lejos de ti, descubres que su frecuencia está aumentando.
Utilizando materiales de índice de refracción negativo se puede fabricar una lente perfecta y recuperar la información transportada por las ondas electromagnéticas sin problema de límite de difracción, es decir, una superlente.
#Cristal Fotónico
El cristal fotónico se obtiene simulando cristales en la física del estado sólido. Esto es asombroso. Tiene una zona prohibida como un cristal.
Primero, echemos un vistazo a cómo se implementan los cristales fotónicos. Aquí está la cuestión:
El azul es un medio común, como un material con una constante dieléctrica de 8, y el resto es aire.
Teóricamente, este material no puede bloquear completamente la propagación de ondas electromagnéticas, pero si se dispone en esta estructura periódica, puede prohibir la propagación de ondas electromagnéticas en determinadas frecuencias. Por lo tanto, se puede utilizar para unir ondas electromagnéticas y hacer guías de ondas:
Alguien preguntó para qué se utiliza esta cosa. La guía de ondas puede estar hecha de metal. Pero en el canal de luz, los metales ya no son metales, sino que se convierten en medios ordinarios. Por tanto, los cristales fotónicos tienen el potencial de convertirse en dispositivos ópticos. También se puede hacer tridimensional y convertirse en algo parecido a la fibra óptica. Tenga en cuenta que es diferente de la fibra óptica. Los cristales fotónicos modulan las ondas de luz en una escala de sublongitud de onda.
#surfacewave
En realidad, cuando entré por primera vez en contacto con las ondas superficiales, lo encontré bastante contradictorio. Porque, en nuestra opinión, las ondas electromagnéticas se encuentran en guías de ondas metálicas o en fibras ópticas, es decir, al igual que en las tuberías de agua del grifo, el agua debe restringirse en las tuberías a través de las paredes.
Pero, de hecho, las ondas electromagnéticas pueden existir en la superficie de un objeto o en la interfaz entre el objeto y el vacío. De hecho, existen muchas ondas superficiales en la naturaleza, como las ondas de agua, que son un tipo de onda superficial. Esta onda existe entre el agua y el aire.
En el caso de las ondas electromagnéticas, una onda superficial extraña es el plasmón superficial. Este tipo de onda superficial existe generalmente en bandas de frecuencia relativamente altas, como las bandas de frecuencia óptica. Esta banda de frecuencia está cerca de la frecuencia de resonancia de los electrones en ciertos metales (como el oro y la plata). La luz y los electrones pueden intercambiar energía directamente, formando un patrón muy extraño. Según los parámetros de Maxwell, la constante dieléctrica del metal es negativa en este momento.
Esto es muy interesante. Se puede convertir en guías de ondas u otros dispositivos ópticos. Podría utilizarse en futuros circuitos ópticos.
Por supuesto, también es posible en bandas de baja frecuencia, como por ejemplo las bandas de microondas. Aunque en la naturaleza no existen materiales con una constante dieléctrica negativa en el rango de las microondas, se pueden fabricar artificialmente. Se puede hacer así:
Esta cosa es como un cable... Las ondas electromagnéticas viajan a lo largo de esta "línea", ¿no es sorprendente?
#óptica topológica
Los aislantes topológicos se han vuelto populares recientemente y su influencia es comparable a la del grafeno. Por supuesto, esto apareció por primera vez en la física de la materia condensada y se ha extendido a las ondas electromagnéticas en los últimos dos años. Sorprendentemente, las ondas electromagnéticas sólo pueden propagarse en su superficie y no dentro de este material. Y cuando se propaga sobre superficies, sus patrones están protegidos topológicamente. En pocas palabras, un patrón sólo puede propagarse en una dirección específica, incluso si existen algunos obstáculos que pueden sortearse.
Por lo tanto, es obvio que es muy adecuado para su uso como guía de ondas. No hay necesidad de preocuparse por el reflejo causado por la onda electromagnética que gira hacia el exterior. Al igual que en los carriles anteriores, algunos coches avanzan y otros retroceden, lo que fácilmente puede provocar atascos. Ahora que hemos construido una calle o autopista de un solo sentido (que consta de dos calles de un solo sentido hacia adelante y hacia atrás), el problema de la congestión se reducirá.
Primera imagen↓
#SLOWLIGHT
Como sugiere el nombre, deja que la luz se vaya lentamente.
Uno de los principios es la transparencia por inducción electromagnética. En realidad, este es un concepto introducido desde la física cuántica. Podemos construir un sistema de dos niveles, dos modos diferentes, a partir de diversas estructuras o materiales. En este sistema de dos niveles, interactúan diferentes niveles o modos de energía, y la transparencia de la inducción electromagnética se producirá en determinadas circunstancias.
Este fenómeno se puede conseguir a través de metamateriales. Un elemento oscuro resuena en un determinado punto de frecuencia y el factor de calidad de la resonancia es muy alto; el otro es un elemento brillante que resuena en el mismo punto de frecuencia y el factor de calidad de la resonancia es relativamente pequeño; Entonces los dos se superponen y se pueden transmitir ondas electromagnéticas. Aquí hay una imagen:
(c) es el resultado de la interacción entre (a) y (b). Podemos observar que en C se propagan ondas electromagnéticas.
En realidad, este no es el punto en este punto la velocidad de grupo de las ondas electromagnéticas será muy pequeña, es decir, la luz se detendrá allí. Por supuesto, esto en realidad proviene de la física de la materia condensada. Los realmente interesantes pueden no estar en áreas con las que estoy familiarizado. El año pasado, los científicos lograron detener la luz durante 1 minuto.
#FuerzaCasimir y Emisión Espontánea
El vacío no está vacío (energía de punto cero), sino que tiene la generación y aniquilación de diversos fotones. Aunque el campo total es cero, sus perturbaciones no son cero.
Considere el modelo anterior. Hay dos placas de metal con algunos espacios entre ellas. Debido a que las ondas electromagnéticas tienen modos específicos entre placas metálicas y debido al efecto de las dos placas, ciertos modos de baja frecuencia no pueden existir entre las placas. En otras palabras, las fluctuaciones de ciertos fotones son limitadas. Esto hace que la fuerza fuera de la placa sea mayor que la fuerza dentro de la placa, generando así la fuerza de Casimir.
Además, la fuerza de Van der Waals es en realidad un tipo de fuerza de Casimir. Entonces, la fuerza de Van der Waals también puede explicarse mediante la física anterior.
Además, las perturbaciones en el vacío también son la causa fundamental de la emisión espontánea. Es debido a perturbaciones en el vacío que los niveles de energía de los electrones en los átomos cambian, emitiendo así fotones.
Hoy en día, los científicos generalmente estudian cosas que van en contra de la intuición. Cuanto más contradictorio sea, más valioso será. Cada avance importante actualiza la visión del mundo de las personas.
Fuente: Física Global, Modelado Súper Matemático