布儒斯特无反射效应是操纵波的最简单但关键的发现之一。最初的研究仅限于各向同性材料,但后来由于超材料的出现,人们发现该现象扩展到各向异性材料。

研究人员展示超材料中的异常布儒斯特效应

最近,人们在超材料中证实了异常的布儒斯特效应,从而增加了自由度的数量。在没有磁响应的材料中,布儒斯特效应仅适用于横磁(TM 或 p 波偏振)波。基于 TM 模式与 2D 声学之间的等效性,人们利用声学超材料证实了零反射声学中的布儒斯特效应。

在发表于《科学通报》杂志的论文中,研究人员首先通过匹配连续边界条件并分析反射系数与各种参数之间的关系证明了这一普适理论,提出了一种确认近零反射条件的精确方法。随后,他们将固有损耗纳入介电常数张量,说明了一种实现非对称涡旋传输的新方法。

此外,受电磁和水旋转器实验实现的启发,他们利用基于感光树脂的商业化3D打印技术设计了一个实际样品,实验实现了声波的非对称涡旋传输。对角布儒斯特效应的分析使得电磁波和声波都能够实现非对称涡旋传输,这是旋转角度和固有损耗共同影响的结果。

这种设计不仅能在宽带频率下工作,还能打破正负拓扑电荷之间的对称性,为未来实现非对称 OAM 通信创造更多自由度。这种创新设备的应用范围十分广泛,不仅局限于光波和声波,还包括弹性波、水波和各种动态场。

OAM的非对称传输和近零反射的研究不仅可以提高数据传输速度和质量,还可以减轻信号丢失和失真,为未来更可靠的通信网络铺平了道路。

该项研究由厦门大学物理科学与技术学院物理系陈焕阳教授和粤港澳大湾区量子科学中心朱山博士牵头,提出了一种普适性的角布儒斯特效应理论,可以同时控制动量和轨道角动量(OAM)。