Naukowcy byli zdumieni, widząc odwrócenie w czasie sygnałów elektromagnetycznych

W nowym badaniu naukowcy z Center for Advanced Science Research w City University of New York Graduate Center (CUNY ASRC) opisują przełomowy eksperyment, w którym byli w stanie zaobserwować czasowe odwrócenie sygnałów elektromagnetycznych w specjalnie zaprojektowanym metamateriale.

Zaobserwowali fotoniczne odwrócenie czasu i związaną z tym szerokopasmową translację częstotliwości w metamateriale przełączanej linii transmisyjnej, której efektywna amplituda zmienia się równomiernie i gwałtownie w zsynchronizowanym zestawie przełączników.

Lustro to odbicie. Jesteśmy przyzwyczajeni do oglądania naszych twarzy, gdy patrzymy w lustro. Powtarzające się zjawisko znane jako odbicie przestrzenne jest spowodowane przez elektromagnetyczne fale świetlne odbijające się od powierzchni lustra, tworząc odbite obrazy.

Przez ponad 60 lat naukowcy spekulowali na temat możliwości zaobserwowania czasowego lub czasowego innego rodzaju odwrócenia fali. Odbicia czasowe występują, gdy ośrodek, przez który fala przepływa szybko i gwałtownie zmienia swoje właściwości w całej przestrzeni, w przeciwieństwie do odbić przestrzennych, które występują, gdy fale świetlne lub dźwiękowe stykają się z granicą, taką jak lustro lub ściana w określonym miejscu w kosmosie. Element falowy jest przeciwieństwem czasu i zmienia swoją częstotliwość podczas takiego zdarzenia.

Do tej pory nie zaobserwowano tego zjawiska dla fal elektromagnetycznych. Podstawowym powodem tego braku dowodów jest to, że właściwości optycznych materiału nie można łatwo zmienić z prędkością i wielkością, które skutkowałyby odwróceniem czasu.

Korespondent, autor artykułu, Andrea Ali, wybitny profesor fizyki w Graduate Center City University of New York i dyrektor-założyciel CUNY ASRC Photonics Initiative, powiedział: „Obserwowanie tego było ekscytujące, ponieważ przewidziano to sprzeczne z intuicją zjawisko i jak fale odbite zachowują się w czasie w porównaniu z falami odbitymi z kosmosu”.

„Korzystając z zaawansowanego projektowania metamateriałów, zdaliśmy sobie sprawę z warunków niezbędnych do gwałtownej zmiany właściwości materiału w czasie iz dużą zmiennością”.

W wyniku tego osiągnięcia duża część sygnałów szerokopasmowych przechodzących przez metamateriał jest natychmiast przetwarzana na czas i częstotliwość. W rezultacie powstaje dziwny rezonans, ponieważ ostatnia część sygnału jest odbijana jako pierwsza. Z tego powodu, jeśli spojrzysz w lustro czasu, odbije ono twój obraz, ukazując plecy zamiast twarzy. EQ dla tej nuty wytwarza dźwięk podobny do tego, który powstaje podczas przewijania taśmy.

Naukowcy wykazali również, że szerokopasmowe przesunięcie częstotliwości spowodowało wydłużenie odbitych sygnałów w czasie. W rezultacie wszystkie odcienie sygnałów świetlnych nagle zmieniłyby się, gdyby były widoczne dla naszych oczu, zmieniając kolor z czerwonego na zielony, pomarańczowy na niebieski i żółty na fioletowy.

W tym eksperymencie naukowcy wykorzystali opracowane metamateriały. Zamontowali gęsty układ rozdzielnic połączonych z kondensatorami zbiorników na płytce drukowanej, zygzakowatym pasku metalu o długości około 6 metrów i pompowali do niego sygnały szerokopasmowe.

Rezystancja wzdłuż linii została następnie zaskakująco i równomiernie podwojona dzięki jednoczesnemu uruchomieniu wszystkich przełączników. W wyniku tej nagłej i znaczącej zmiany właściwości elektromagnetycznych powstał interfejs czasowy, a zmierzone sygnały wiernie przenosiły dokładną replikę sygnałów wejściowych.

Eksperyment dowodzi, że możliwe jest stworzenie interfejsu czasowego poprzez skuteczne odwrócenie czasu i zmianę częstotliwości szerokopasmowych fal elektromagnetycznych. Te dwie technologie zapewniają nowe stopnie swobody dla bardziej ekstremalnej kontroli fal. Osiągnięcie to może otworzyć drzwi do innowacyjnych zastosowań komunikacji bezprzewodowej i stworzenia kompaktowych komputerów falowych o niskim poborze mocy.

Gengyu Xu, współautor artykułu i doktor habilitowany w CUNY ASRC, powiedział: Główną przeszkodą w odwróceniu czasu w poprzednich badaniach było przekonanie, że stworzenie interfejsu czasowego wymagałoby dużych ilości energii. Bardzo trudno jest zmienić właściwości ośrodka wystarczająco szybko, równomiernie iz wystarczającą zmiennością w czasie, aby odbijać sygnały elektromagnetyczne, ponieważ oscylują one tak szybko. Naszym pomysłem było uniknięcie zmiany właściwości materiału macierzystego i zamiast tego stworzenie metamateriału, w którym dodatkowe elementy mogłyby być nagle dodawane lub odejmowane za pomocą gorących przełączników”.

Współautor Shixiong Yin, absolwent CUNY ASRC i The City College of New York, PowiedziałI Do tej pory egzotyczne właściwości elektromagnetyczne metamateriałów zostały opracowane poprzez połączenie wielu interfejsów przestrzennych w sprytny sposób. Nasze doświadczenie pokazuje, że możliwe jest dodanie do miksu interfejsów czasowych, co zwiększa stopień swobody manipulacji falami. Udało nam się również stworzyć czasową wersję wnęki rezonansowej, którą można wykorzystać do uzyskania nowej techniki filtrowania sygnałów elektromagnetycznych. „

Z pomocą nowo opracowanej platformy metamateriałów możliwe jest tworzenie elektromagnetycznych kryształów czasu i metamateriałów czasu. To odkrycie może potencjalnie otworzyć nowe możliwości dla technologii fotonicznych i nowe sposoby ulepszania i manipulowania interakcjami fala-materia w połączeniu z dostosowanymi interfejsami przestrzennymi.

Odniesienie do czasopisma:

1. Mojżesz, H.; Xu J, Yin S i in. Obserwacja odwrócenia czasu i translacji szerokoczęstotliwościowej w fotonicznych interfejsach czasowych. nat. fizyka (2023). DOI: 10.1038 / s41567-023-01975-y