הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן

Artificially manufactured structures, termed metamaterials, enable advanced wave propagation, breaking barriers in wave manipulation and control. Applications of metamaterials with space or frequency modulated parameters have been extensively addressed over the last two decades, including negative refraction, topological wave propagation, invisibility cloaking, and many more.

Recently, the new class of time-modulated metamaterials has gained an increased interest. Concepts such as Fresnel coefficients and Snell’s law have been developed analogously for the case of time-varying systems, as well as the development of unique methods for unconventional wave propagation using special relativity.

One of the most fascinating applications of such structures is the Spacetime Cloak (STC). Cloaking is usually associated with hiding objects in space from electromagnetic or acoustic detection. The STC, on the contrary, aims to conceal the occurrence of events. One of the approaches to STC is based on transformation field theory, which allows manipulating the medium dispersion in a way that a ‘hole’ in time is created. So far, realization of STCs was proposed only for electromagnetic or photonic systems, carried out using the nonlinear properties of optical fibers.

The main goal of this research was to realize an acoustic STC. This constitutes a significant challenge, as the nonlinear photonic effects are not applicable in acoustics, and new methods need to be derived. We proposed the following two independent methods:

An alternative formulation of the acoustic STC as an active control problem, which is applied to an otherwise uniform medium. In this formulation, the required space and time dependent properties, including effective mass density and bulk modulus in the cloaked region, as well as additional cross-coupling terms of pressure and flow velocity, are created by the controllers in a real-time feedback operation of a feedback-based metamaterial.
Creating the acoustic STC using two pairs of real-time reconfigurable programmed meta-surfaces. These surfaces eliminate the scattering of the incident beam, and simultaneously perform the uncloaked field prediction, using a targeted two-dimensional unidirectional control wave technique.

In addition, we studied general properties of time-varying waveguide systems. In these systems, under certain conditions, a temporal boundary is created, causing in-domain wave reflections at frequencies different from that of the source. We found that changing the parameters to a particular dispersive state does not cause these reflections, but produces a new wave that progresses in a negative refraction. We proposed a realization of this state by an actively-controlled metamaterial.

Join Zoom Meeting

https://us02web.zoom.us/j/82108132163?pwd=Z2h4UzNzUS9mbXplT0lMU1pZenFEQT09

02 מרץ 2022

תגיות:

החוקרים.ות שמאחורי המחקר

פרופ' עדי אריה

פרופ' לב שמר אמריטוס

גאורגי גרי [גרי] רוזנמן

בתמונה מימין לשמאל: פרופ' עדי אריה, פרופ' וולפגאנג שלייך והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן

מחקר חדש של הפקולטה להנדסה בשיתוף עם אוניברסיטאות בארצות הברית ובגרמניה וכן מכון החלל הגרמני (DLR), מראה לראשונה כי ניתן "למקד חושך", כלומר לרכז גלים לנקודה אחת במרחב שבה תתקבל עוצמת אור מינימלית. זאת בצורה אנלוגית למיקוד המוכר (למשל ע"י עדשות או מראות כדוריות) שבסופו מתקבלת נקודת אור בוהקת.

החוקרים מאחורי המחקר

פרופ' עדי אריה מבית הספר להנדסת חשמל, פרופ' לב שמר מבית הספר להנדסה מכנית והדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מהפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר.

בנוסף, החוקרים מאוניברסיטת אולם ומכון החלל הגרמני הם ד״ר מנואל רודריגז גונקאלבס, ד״ר מתיאס צימרמן, פרופ׳ מקסים איפראימוב ופרופ׳ וולפגאנג שלייך והחוקר מאצות הברית הוא פרופ׳ וויליאם קייס. פרופ' עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

שהיה של הגל

גלים אלקטרומגנטיים, גלי חומר וגלי כבידה משטחיים יכולים להתרכז לאזור קטן וממוקד במרחב, תופעה המוכרת בתור מיקוד בהיר. זהו העיקרון על בסיסו פועלים שלל התקנים אופטיים ובהם עדשות, טלסקופים, מצלמות, מיקרוסקופים, זכוכית מגדלת וגם העין האנושית. עבודה קודמת שנעשתה אף היא במעבדתו של פרופ' אריה יחד עם חלק מהשותפים למחקר החדש, כללה את פיתוחו של מוליך גלים מסוג חדש, מראה כי ניתן לבצע מיקוד גם ללא עדשה – כאשר אור או כל גל אחר עובר דרך חריץ צר ומתרכז לאזור בהיר במרחב.

הדוקטורנט גאורגי גרי רוזנמן מסביר: "מיקוד בדרך כלל מקושר לעלייה בעוצמת האור באזור מצומצם במרחב, כפי שניתן לצפות באור העובר דרך עדשה, וכאן ניסינו לבצע את הפעולה ההפוכה, כלומר להוריד כמעט לאפס את כמות האור בנקודה מסוימת במרחב. התופעה שגילינו בניסוי וגם חקרנו באמצעות תאוריה נלווית, מכונה מיקוד עקיפתי אפל. במסגרת התופעה הזו, גלים מתרכזים לנקודה אחת במרחב, אבל שלא כמו במיקוד בהיר, מקבלים מינימום של עצמה בעוד שבכל שאר המרחב ישנם גלים בעוצמה גבוהה."

במאמר מפרטים החוקרים את הניתוח התאורטי של הבעיה באמצעות כלים ממכניקת הגלים וממכניקת הקוונטים. החוקרים מציינים כי על פי התחזית התאורטית, תופעה זו יכולה להתרחש גם בהיעדר עדשה המרכזת את האור, בנוכחות סדק בלבד. רוזנמן מוסיף ואומר כי "הבסיס לעקרון הפעולה החדש שפענחנו, הוא שבמחצית מהסדק תתבצע השהיה של הגל, לעומת החצי השני שבו הגל יעבור לא השהיה. עבור גלים אופטיים למשל, ניתן לממש השהיה כזו על ידי הוספת לוחית דקה של זכוכית שתכסה את מחציתו של הסדק. הניסוי שבוצע השתמש ברעיון דומה, אבל עבור גלי מים".

רוזנמן מפרט לגבי השלב השני של המחקר, בו חזו בתופעה המרתקת גם בגלי כבידה משטחיים של מים: "במעבדתו של פרופ' לב שמר, יצרנו מערך של גלי כבידה משטחיים בבריכת גלים שאורכה כ-5 מטרים. על בסיס התחזית התיאורטית הנדסנו את מבנה הסדק המיוחד במרחב הזמן, וצפינו לראשונה בתופעה של מיקוד עקיפתי אפל באופן ניסיוני. למעשה הבנו כי מיקוד עקיפתי אפל איננו רק התאום המנוגד למיקוד הבהיר, אלא שיש לו גם הרבה תכונות מעניינות בפני עצמו. למשל, ראינו כי המיקומים של מוקדי החושך שונים מאלה של מוקדי האור, וכי הוצאת המערכת מפוקוס עשויה לגרום להיווצרותם של פסי חושך רחבים".

החוקרים טוענים כי לתופעה החדשה שגילו והסבירו יש השלכות מעניינות בהבנה של תופעות גליות, וכי יתכנו יישומים שלה גם בגלים אקוסטיים ואלקטרומגנטיים. רוזנמן מסכם: "בעזרת המסקנות מהניסויים שערכנו ומהתאוריה שבנינו, אנו מעריכים כי ניתן יהיה להעלים רעשים באופן ממוקד או ללכוד ולהזיז חלקיקים בצורה יעילה יותר. אמנם התופעה עוסקת בחושך אך היא כנראה תביא הרבה אור מדעי לחיינו, שכן זהו פתח לתופעות פיזיקליות חדשות".

המחקר פורסם בעיתון היוקרתי Applied Physics B

קישור למחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מחקרים אחרונים

מרכז אור וחומר – מערכות נשק לייזר – מדע בדיוני למציאות - ד"ר יהונתן שגב

09 במרץ 2022, 13:00

הפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב, בניין כיתות,אולם 11

מרכז אור וחומר – מערכות נשק לייזר – מדע בדיוני למציאות - ד"ר יהונתן שגב

LMI Seminar:

Laser Defense Systems- Science Fiction Materializing

Dr. Yehonathan Segev

Rafael Advanced Defense Systems LTD

Light refreshments and drinks will be served at 12:30

Auditorium 011, Engineering Classroom Building, Faculty of Engineering, Tel-Aviv University

Abstract: Laser technology has advanced rapidly from the invention of the laser in the 1960’s to the Mega-Watt lasers of the late 1980’s. Alongside the rapid technology development comes an expectation for laser defense systems which have long been a part of science fiction literature. Nevertheless, the latter have yet to be fielded, coining the popular joke that high power laser systems have been three years away from us, for three decades. Over the last few years, the technology has matured and the operational need for this innovative and game-changing defense system has increased making their entrance to the battlefield imminent.

This Seminar describes how these systems work and focuses on the technological breakthroughs that finally allows their realization- fiber laser power scaling via beam combining, beam focusing and pointing and real-time atmospheric turbulence disturbance correction.

Bio: Yehonathan Segev has been the head of the R&D group that specializes in Laser Systems in Rafael Advanced Defense Systems LTD since 2020. He is with the group in Rafael since 2011, after receiving a PhD from the Weizmann Institute of Science.

segevye@rafael.co.il

סטודנטית להנדסה- איפה את רואה את עצמך בעוד כמה שנים?

סטודנטים וסטודנטיות של הפקולטה להנדסה

רתימת התופעה תאפשר פיתוחים טכנולוגיים בתחומי האקוסטיקה והאופטיקה

החוקרים.ות שמאחורי המחקר

מחקרים אחרונים