Master's Thesis

Electromagnetic wave propagation in time-varying metamaterials

Final Thesis 1.39 MB

Author of thesis: Ing. Radovan Sokol

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Mgr. Jakub Bělín, Ph.D.

Reviewer: Mgr. et Mgr. Patrik Novosad, Ph.D.

Abstract:

In this work we propose a new method for describing a propagation of an electromagnetic wave through a time-varying media with dispersion. We achieve that by introducing an operator of time into electrodynamics, which allows us to formulate an equation similar to the Schrödinger equation. This enables a simpler numerical simulation and a more intuitive physical interpretation of a wave in time-varying media. In this work we encounter a one-way reflective potential, which has been described for space to create a perfect antireflection surface. We have shown that this one-way reflection naturally occurs int time domain, which can be linked to causality.

Keywords:

Time-varying metamaterials, Spatial Kramers-Kronig relations, Electrodynamics, Schrödinger equation, One way reflectivity

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Význam obrázku 4.1 v práci a označení os. Způsob dosažení změny parametrů materiálu v čase. Závislost frekvence na hloubce x. Jiné způsoby řešení problému- Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Mgr. Jakub Bělín, Ph.D.

Student se ve své práci zabýval tématem, kterým se lidi začali zabývat teprve nedávno (od roku 2015). Ačkoliv se jedná o poměrně málo probádanou oblast výzkumu, student si uměl poradit a dosáhl cenné teoretické výsledky, které podpořil simulacemi. Tyto budou zároveň zahrnuty do připravované publikace. Cíle diplomové práce student splnil velmi dobře, s využitím pokročilých znalostí teoretické fyziky (zejména elektrodynamiky a kvantové fyziky). Co se týče formální stránky, předložené práci schází lepší ilustrace probíraných statí. Celkově je práce psaná slušnou angličtinou, ale občas se v textu objeví gramatické chyby (např. použití slova "tell" místo "say"). Teoretický výklad je hodně obsáhlý ve srovnání se statěmi, které obsahují dosažené výsledky. Toto se dá jednoduše vysvětlit tím, že zkoumaná problematika je hodně komplexní a k jejímu porozumění je potřeba hodně znalostí. Na druhou stranu, lepší prezentace vlastních výsledků by práci jistě prospěla (např. podrobnější popis numerických simulací, diskuze o využitelnosti dosažených výsledků, ukázka konkrétního řešení kvazi-Schrödingerovy rovnice atd.). Každopádně, předložená práce velmi dobře splňuje nároky kladené na závěrečnou práci a studentovi přeji všechno nejlepší v jeho následující kariéře.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations C
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Cílem diplomové práce Bc. Radovana Sokola bylo odvodit analyticky řešitelnou rovnici, která popisuje šíření elektromagnetických vln v časově proměnných metamateriálech. Tuto rovnici autor nejen odvodil, ale i přidal několik jejich numerických řešení, tudíž na úvod konstatuji, že cíle práce byly naplněny.

Samotná práce obsahuje (nepočítaje úvod a závěr) čtyři kapitoly, přičemž první tři poskytují teoretický základ pro samotnou práci, která je prezentována ve čtvrté kapitole. V první vlastní kapitole, tj. kapitole 2, jsou zaváděny pojmy časový odraz a lom a na konkrétních příkladech jednoduchých indexů lomu je popsáno, jak se tyto časové odrazy a lomy liší od prostorových odrazů a lomů. Další kapitola popisuje interakci světla s látkou, kde jsou hlavně představeny dva základní modely pro tuto interakci, Loretzův a Drudeho model. Do této kapitoly je lehce násilně vložena sekce ohledně Kramers-Kronigovy relace, které se ale využívají pro jednosměrně odrazivé materiály diskutované v této sekci, tudíž jejich zařazení působí nakonec docela přirozeně. Kapitola 5 představuje rychlý úvod do kvantové mechaniky s velkým důrazem na kvantové tunelování, jehož využití pro práci je zmíněno pouze ve dvou větách bez větších podrobností, což je škoda. V poslední kapitole se nejprve odvodí Helmholtzova rovnice, která popisuje průchod elektromagnetického záření časově proměnným metamateriálem, která lze ale řešit pouze numericky, jelikož obsahuje odmocninu z operátoru. Proto se pomocí vhodných aproximací tato rovnice přepíše do analyticky řešitelné rovnice, která je podobná Schrödingerově rovnici. Na závěr jsou prezentovány numerická řešení těchto dvou rovnic.

Práce je logicky vystavená, nejprve jsou prezentovány nosné myšlenky, které jsou poté využity. Jen se někdy stane, jak už v zmiňované kapitole o kvantové mechanice, že je více pozornosti věnováno myšlence a její využití pro práci je odbyté. Nebo přesně naopak v kapitole 3 je velice nedbale odprezentováno zavedení časového operátoru do elektrodynamiky, které je poté zopakováno, ale tentokrát mnohem kvalitněji, v kapitole 5. Obecně můžu říci, že při odvozování rovnic jsou manipulace s nimi dobře vysvětleny, i když při některých složitějších operacích bych ocenil více detailů. To lze ale říci o celé práci, větší rozsah daný hlavně podrobnějším vysvětlováním by jí prospěl. Například poslední sekce práce se zabývá numerickými simulacemi, ale chybí mi tam nějaká diskuse, ve které by se porovnávaly řešení dvou rovnic se stejnými parametry mezi sebou, popřípadě porovnání numerického řešení druhé rovnice s analytickým, pokud tedy toto řešení existuje.

Celá práce je teoretická, obsahuje spoustu netriviální matematiky a fyziky a může sloužit jako vstup do velice aktuálního a z velké části ještě neprobádaného tématu optických vlastností časově proměnných metamateriálů, který se možná v blízké budoucnosti dočká spousty praktických využití. Angličtina použita v práci je solidní, ani špatná ani excelentní, s množstvím chyb odpovídající rozsahu práce. Celkově konstatuji, že práce splňuje podmínky kladené na diplomové práce a navrhuji práci hodnotit známkou B.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Zajímalo by mě nějaké analytické řešení rovnice (5.28), která by měla jít analyticky vyřešit, ale v práci je zmíněno pouze numerické řešení.
  2. V kapitole 3.5 mi není jasné proč platí poslední rovná se v rovnici (3.58).
  3. V kapitole 4 je řečeno, že řešením rovnice (4.12) je monochromatická vlna (4.5). Platí toto opravdu v úplné obecnosti?
  4. V kapitole 4.4 je řečeno, že pro nerelativistickou limitu Klein-Gordonovy rovnice je potřeba předpokládat, že hmotnost $m$ je velmi velká. Tomuto předpokladu nerozumím, čekal bych jiný předpoklad.
  5. V kapitole 5.2 nechápu jak funguje rovnice (5.39). Poslední odstavec v celé práci zmiňuje, že volba záporného času by měla vlnu rozdělit na dvě větve. Jdou tyto dvě větve vidět na obrázcích 5.6 a 5.7?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová