Physiker führen erstmals Messung der „Zeitreflexion“ in Mikrowellen durch

Physiker in den USA eine Wirkung beobachtet haben erstmals als Zeitreflexion in einer elektromagnetischen Welle bekannt. Sie entdeckten das Phänomen – das zeitliche Gegenstück der vertrauten räumlichen Reflexion – durch schnelles Schalten einer Reihe von Kondensatoren in einer neuartigen Art von Metamaterial. Sie sagen, das Ergebnis könnte die drahtlose Kommunikation verbessern und letztendlich dazu beitragen, das lang ersehnte Optical Computing zu verwirklichen.

Alltägliche Reflexion beinhaltet die Transformation eines Wellenpakets, wenn es auf eine Grenzfläche in einer bestimmten Region des Raums trifft. Der Prozess bewahrt die zeitliche Ordnung, so dass der führende Teil der einfallenden Welle nach der Reflexion voraus bleibt. Dies bedeutet, dass Objekte, die weiter von einem Spiegel entfernt sind, in der Reflexion weiter entfernt erscheinen, während Geräusche in einem Echo in derselben Reihenfolge zurückkommen, in der sie emittiert wurden.

Bei der Zeitreflexion wird stattdessen ein Wellenpaket als Ergebnis einer abrupten Zeitänderung transformiert, die gleichermaßen für das gesamte Medium gilt, das es durchquert. Mit anderen Worten, das betreffende Material erfährt eine plötzliche Änderung seiner Eigenschaften. Dadurch ändert die Welle ihre Richtung, so dass ihre Hinterkante vor der Reflexion jetzt vorne ist. Objekte, die sich in der realen Welt näher an einem Spiegel befinden, würden in der Reflexion weiter wegschauen, während bei einem Echo der letzte ausgestrahlte Ton der erste wäre, der zurückkommt.

Die beiden Verfahren sparen unterschiedliche Mengen ein. Eine Welle, die von einem Objekt abprallt, überträgt Impuls auf dieses Objekt, während seine Frequenz erhalten bleibt. Im Gegensatz dazu muss eine in der Zeit reflektierte Welle ihren Impuls beibehalten, wodurch sich ihre Schwingungsgeschwindigkeit (ihre Frequenz) ändert. Mit anderen Worten, die reflektierte Welle behält ihre Form bei, wird aber zeitlich gestreckt.

Bisher haben Wissenschaftler solche zeitlichen Reflexionen nur in Wasserwellen beobachtet. Das Gleiche in elektromagnetischer Strahlung zu sehen, wird durch die hohe Frequenz der Wellen erschwert. Der Trick besteht darin, den Brechungsindex eines Materials gleichmäßig mit ausreichend hoher Geschwindigkeit – in viel kürzerer Zeit als die Wellenperiode – und mit ausreichend großem Kontrast umzuschalten, um einen messbaren Effekt zu erzielen.

Zeit zum Nachdenken

Andrea Alu und Kollegen der City University of New York ist dies nun gelungen, indem sie ein neuartiges Metamaterial entwickelt haben. Metamaterialien haben dank ihrer großen Anzahl winziger, präzise angeordneter technischer Strukturen bemerkenswerte elektromagnetische Eigenschaften.

Das fragliche Material besteht aus einem 6 m langen Metallstreifen, der als Mikrowellen-Wellenleiter dient und sich 20-mal hin und her schlängelt, um ein etwa 30 cm langes Gerät zu bilden². Dreißig kapazitive Schaltkreise sind in regelmäßigen Abständen entlang des Streifens positioniert, aber durch Schalter davon getrennt. Die Idee besteht darin, eine Folge von Mikrowellenimpulsen einzuspeisen und dann alle Schaltkreise gleichzeitig ein- oder auszuschalten, während die Impulse entlang des Streifens transportiert werden – was zu einer plötzlichen Änderung des effektiven Brechungsindex und der Impedanz des Metamaterials führt. Diese plötzliche Änderung spiegelt zeitlich das Mikrowellensignal wider.

Alù und Kollegen waren in der Lage, den Brechungsindex in viel kürzerer Zeit zu verdoppeln (oder zu halbieren), als die Welle für eine einzelne Schwingung benötigte, dank ihrer Schaltkreise, die eine Abkürzung über den sich schlängelnden Wellenleiter nahmen. Indem sie ein Signal einspeisten, das aus zwei ungleich starken Spitzen bestand, und dann die kapazitiven Schaltkreise miteinander verbanden, stellten sie fest, dass ein Teil des Signals mit den Spitzen in umgekehrter Reihenfolge und zeitlich gestreckt am Eingangsanschluss ankam – so wie es für eine gewisse Zeit zu erwarten war -reflektierte Welle. Der Rest des Signals kehrte stattdessen mit den beiden Spitzen in ihrer ursprünglichen Reihenfolge zum Hafen zurück, nachdem er räumlich vom anderen Ende des Metamaterials reflektiert worden war.

Laut Alù könnte die analoge Natur dieses Zeitumkehrmechanismus zu einer Reihe von Anwendungen führen. Zum Beispiel, sagt er, könnte es verwendet werden, um Verzerrungen in einem drahtlosen Datenkanal zu bekämpfen. Eine solche Verzerrung wird oft durch eine Empfängerstation abgeschätzt, die bekannte Signale mit umgekehrten zeitlichen Profilen an den Sender zurücksendet. Dazu gehört aber meist die Digitalisierung der Signale. Da die Zeitreflexionen stattdessen vollständig analog sind, könnte ihre Verwendung Zeit, Energie und Speicher sparen, sagt er.

Radioingenieure können sagen, dass sie ein neues Instrument in ihrer Werkzeugkiste haben

Simone Zanotto

Langfristig, so sagt er, könnte das Schema in einer neuen Generation von analogen optischen Computern Anwendung finden. Wie er betont, werden in aktuellen Computern Zeit und Energie geopfert, da analoge elektrische Signale in den und aus dem digitalen Bereich umgewandelt werden müssen. Aber es stellt sich heraus, dass eine Art der analogen Operation, die für die Signalverarbeitung und -berechnung besonders nützlich ist, die Phasenkonjugation ist – die Transformation, die stattfindet, wenn Wellen einer Zeitreflexion unterzogen werden.

Bevor dies geschehen kann, werden Alù und seine Kollegen versuchen, ihr Metamaterial so weit wie möglich zu verkleinern. Er sagt, dass sie derzeit an einer Version im Chip-Maßstab arbeiten, die mit viel höheren Frequenzen arbeiten würde – im Bereich von mehreren zehn Gigahertz und nicht bei den Hunderten von Megahertz ihres aktuellen Geräts. Sie könnten möglicherweise Terahertz und mehr erreichen, sagt er, obwohl sie an diesem Punkt Laserpulse anstelle von elektrischen Schaltern verwenden müssten.

Zeitkristalle: Die Suche nach einer neuen Phase der Materie

Chen Shen von der Rowan University in den USA, der nicht an der Arbeit beteiligt war, geht davon aus, dass die Fähigkeit, die Spektren von Radiowellen zu kontrollieren, Anwendungen wie die medizinische Bildgebung mit Zeitumkehr, temporales Cloaking (ein Gegenstück zum räumlichen Cloaking) und eine bessere Schätzung des Kanals ermöglichen könnte Zahlen in der drahtlosen Kommunikation. „Diese Demonstrationen zeigen, dass die Zeitmodulation als neue Zutat für die Wellenmanipulation hinzugefügt werden kann“, sagt er.

Simone Zanotto der Scuola Normale Superiore in Pisa, Italien, stimmt zu. „Funkingenieure sagen vielleicht, dass sie ein neues Instrument in ihrer Werkzeugkiste haben“, sagt er. „Ein Instrument, dessen Funktionsprinzip gut verstanden und wahrscheinlich weiter auf ihre Bedürfnisse abgestimmt werden kann.“

Die Forschung wird veröffentlicht in Naturphysik.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/