Observation directe de fluides électromagnétiques idéaux

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4747 (2022) Citer cet article

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Les milieux à indice proche de zéro (NZI) ont été théoriquement identifiés comme des milieux dans lesquels les rayonnements électromagnétiques se comportent comme des fluides électromagnétiques idéaux. Dans les médias NZI, le flux de puissance électromagnétique obéit à des équations similaires à celles du mouvement pour le champ de vitesse dans un fluide idéal, de sorte que la turbulence optique est intrinsèquement inhibée. Ici, nous observons expérimentalement la distribution du flux de puissance électromagnétique d'un tel fluide électromagnétique idéal se propageant dans un guide d'ondes de coupure par une technique de reconstruction semi-analytique. Cette technique apporte une preuve directe de l'inhibition du tourbillon électromagnétique à la fréquence NZI, même en présence d'obstacles complexes et de changements topologiques dans le guide d'ondes. L'uniformité de phase et les distributions de champs spatialement statiques, caractéristiques essentielles des matériaux NZI, sont également observées. La mesure de la même structure en dehors de la plage de fréquences NZI révèle l'existence de tourbillons dans le flux de puissance, comme prévu pour les systèmes optiques conventionnels. Par conséquent, nos résultats constituent une avancée importante dans le développement de fluides électromagnétiques idéaux et introduisent un outil permettant d’explorer le comportement sous-longueur d’onde des milieux NZI, y compris des informations entièrement vectorielles et de phase.

Ces dernières années ont été témoins d’un regain d’intérêt pour les phénomènes physiques contre-intuitifs qui se produisent dans les médias à indice proche de zéro (NZI)1. En raison de la longueur d'onde infiniment étendue et des champs spatialement statiques, l'électrodynamique à l'intérieur du milieu NZI conduit à une série d'effets physiques dans lesquels certains observables sont indépendants de la géométrie du système. Les exemples populaires incluent le supercouplage2,3,4,5,6, les résonateurs électromagnétiques déformables7, le dopage photonique8,9,10,11 et l'amélioration de la cohérence spatiale des champs thermiques12. Cette physique exotique permet également de nombreuses applications technologiques dans un large spectre allant des fréquences radio aux fréquences optiques, y compris les antennes13,14,15,16, les lentilles17,18,19 et les composants aux non-linéarités optiques améliorées20,21,22,23,24. Le mécanisme sous-jacent est attribué au découplage entre les variations spatiales (nombre d’onde) et temporelles (fréquence) des champs électromagnétiques, conduisant à des distributions de champs spatialement statiques, mais temporellement dynamiques25. Pour les vérifications expérimentales de ces propriétés, les paramètres de diffusion sont mesurés par rapport aux variations spectrales ou angulaires sous déformations des géométries du milieu NZI26,27,28. Cependant, les détails locaux et/ou sub-longueurs d'onde des distributions de champs au sein des médias NZI ont été beaucoup moins étudiés. Les exceptions incluent l'observation directe des ondes stationnaires29 et l'indépendance de la position de la cathodoluminescence dans les guides d'ondes NZI30. Dans les deux cas, l’expérience récupère une image scalaire de l’amplitude le long d’un guide d’ondes droit. Cependant, il n'existe aucune caractérisation du caractère vectoriel des distributions de champ au sein du milieu NZI, c'est-à-dire des informations de phase et d'amplitude, au sein de géométries non triviales.

Les détails locaux et sub-longueur d'onde des distributions de champ à l'intérieur des médias NZI présentent une physique riche. Par exemple, le flux de puissance électromagnétique local, représenté par le champ vectoriel de Poynting, à l'intérieur du milieu NZI est mathématiquement équivalent au champ de vitesse se produisant dans un fluide idéal31. En conséquence, la turbulence optique est intrinsèquement inhibée dans les médias NZI, supprimant tout tourbillon dans le flux de puissance. La propagation de la lumière dans les milieux NZI peut être comprise comme un fluide électromagnétique idéal, l'équivalent électromagnétique d'un fluide non visqueux, incompressible et irrotationnel.

Dans cet article, nous rapportons une démonstration expérimentale de fluides électromagnétiques idéaux aux fréquences micro-ondes utilisant un guide d'onde rectangulaire dispersif à sa fréquence de coupure (Fig. 1), agissant comme une structure epsilon proche de zéro (ENZ), qui est un type spécifique de Médium NZI. De tels guides d'ondes dispersifs présentent des pertes plus faibles que les matériaux ENZ réels32,33,34. Grâce à cette plateforme, nous sommes en mesure de construire des géométries non triviales, notamment la déformation et le blocage du chemin de propagation direct entre les ports d'entrée et de sortie, qui favorisent la turbulence optique. La topologie de la géométrie est encore modifiée par l'introduction de particules diélectriques dans de tels guides d'ondes. De plus, nous développons une procédure de récupération dédiée qui permet la cartographie directe des champs à l'intérieur du guide d'ondes avec des informations entièrement vectorielles, englobant la phase et l'amplitude, basées uniquement sur des mesures de surface. Une telle méthode présente des interférences négligeables avec le champ d’origine dans la cavité et peut être utilisée dans diverses applications photoniques. Les résultats expérimentaux confirment que dans la condition ENZ, ni les déformations sévères des canaux ni l'existence d'inclusions n'induit de tourbillons dans le flux de puissance électromagnétique, alors que des vortex sont observés lors d'un fonctionnement hors de la condition ENZ. Nos résultats démontrent expérimentalement l’analogie entre un fluide idéal et un flux de puissance électromagnétique dans un milieu NZI. Cette conclusion constitue une avancée importante dans le développement de fluides électromagnétiques idéaux, fournit un aperçu physique de l'effet de supercouplage et ouvre des perspectives d'applications dans le domaine de la propagation de la lumière dans les guides d'ondes.