Los físicos realizan la primera medición de la 'reflexión del tiempo' en microondas

Físicos en los EE. UU. han observado un efecto conocido como reflexión del tiempo en una onda electromagnética por primera vez. Detectaron el fenómeno, la contraparte temporal de la reflexión espacial familiar, cambiando rápidamente una serie de condensadores en un nuevo tipo de metamaterial. Dicen que el resultado podría mejorar la comunicación inalámbrica y, en última instancia, ayudar a generar la computación óptica tan buscada.

La reflexión cotidiana implica la transformación de un paquete de ondas cuando se encuentra con una interfaz en una región distinta del espacio. El proceso conserva el ordenamiento temporal, de modo que la parte principal de la onda incidente permanece adelante después de la reflexión. Esto significa que los objetos más alejados de un espejo se ven más distantes en el reflejo, mientras que los sonidos en un eco regresan en el mismo orden en que fueron emitidos.

En cambio, la reflexión del tiempo implica que un paquete de ondas se transforme como resultado de un cambio abrupto en el tiempo que se aplica por igual en todo el medio que atraviesa. En otras palabras, el material en cuestión experimenta un cambio repentino en sus propiedades. Esto hace que la onda cambie de dirección de modo que su borde posterior antes del reflejo ahora esté al frente. Los objetos más cercanos a un espejo en el mundo real se verían más lejos en el reflejo, mientras que para un eco, el último sonido emitido se convertiría en el primero en regresar.

Los dos procesos conservan cantidades diferentes. Una onda que rebota en un objeto transfiere impulso a ese objeto mientras se conserva su frecuencia. Por el contrario, una onda reflejada en el tiempo debe conservar el impulso, provocando un cambio en la velocidad con la que oscila (su frecuencia). En otras palabras, la onda reflejada mantiene su forma pero se estira en el tiempo.

Hasta la fecha, los científicos solo han observado dichos reflejos temporales en las ondas de agua. Ver lo mismo en la radiación electromagnética es complicado por la alta frecuencia de las ondas. El truco consiste en poder cambiar el índice de refracción de un material de manera uniforme a una velocidad lo suficientemente alta (tomando mucho menos tiempo que el período de la onda) y con un contraste lo suficientemente grande como para generar un efecto medible.

Tiempo para reflexionar

Andrea Alù y sus colegas de la Universidad de la Ciudad de Nueva York ahora han logrado hacerlo al idear un nuevo tipo de metamaterial. Los metamateriales tienen sorprendentes propiedades electromagnéticas, gracias a su gran cantidad de diminutas estructuras diseñadas con precisión.

El material en cuestión consiste en una tira de metal de 6 m de largo que sirve como una guía de ondas de microondas que serpentea hacia adelante y hacia atrás 20 veces para formar un dispositivo de unos 30 cm². Treinta circuitos capacitivos están colocados a intervalos regulares a lo largo de la tira, pero separados de ella por interruptores. La idea es inyectar un tren de pulsos de microondas y luego encender o apagar todos los circuitos al mismo tiempo mientras los pulsos están en tránsito a lo largo de la tira, provocando un cambio repentino en el índice de refracción efectivo y la impedancia del metamaterial. Ese cambio repentino refleja temporalmente la señal de microondas.

Alù y sus colegas pudieron duplicar (o reducir a la mitad) el índice de refracción en mucho menos tiempo del que le tomó a la onda completar una sola oscilación, gracias a que su circuito de conmutación tomó un atajo a través de la guía de onda serpenteante. Al inyectar una señal que constaba de dos picos desigualmente fuertes y luego conectar los circuitos capacitivos, descubrieron que una parte de la señal regresaba al puerto de entrada con los picos en orden inverso y se extendía en el tiempo, tal como se esperaría durante un tiempo. -onda reflejada. En cambio, el resto de la señal regresó al puerto con los dos picos en su orden original, habiéndose reflejado espacialmente en el otro extremo del metamaterial.

Según Alù, la naturaleza analógica de este mecanismo de inversión de tiempo podría dar lugar a una serie de aplicaciones. Por ejemplo, dice, podría usarse para combatir la distorsión en un canal de datos inalámbrico. Dicha distorsión a menudo se estima mediante una estación receptora que devuelve señales conocidas al transmisor con sus perfiles temporales invertidos. Pero esto generalmente implica digitalizar las señales. Dado que los reflejos de tiempo son completamente analógicos, dice que su uso podría ahorrar tiempo, energía y memoria.

Los ingenieros de radio pueden decir que tienen un nuevo instrumento en su caja de herramientas.

simone zanotto

A largo plazo, dice, el esquema podría encontrar uso en una nueva generación de computadoras ópticas analógicas. Como él mismo señala, en las computadoras actuales se sacrifica tiempo y energía al tener que convertir señales eléctricas analógicas hacia y desde el dominio digital. Pero resulta que un tipo de operación analógica particularmente útil para el procesamiento de señales y la computación es la conjugación de fase, la transformación que tiene lugar cuando las ondas se reflejan en el tiempo.

Antes de que esto suceda, Alù y sus colegas intentarán reducir su metamaterial tanto como sea posible. Él dice que actualmente están trabajando en una versión a escala de chip que operaría a frecuencias mucho más altas, en el rango de decenas de gigahercios, en lugar de los cientos de megahercios de su dispositivo actual. Es posible que lleguen a los terahercios y más allá, dice, aunque en ese momento tendrían que usar pulsos de láser en lugar de interruptores eléctricos.

Cristales de tiempo: la búsqueda de una nueva fase de la materia

chen shen de la Universidad de Rowan en los EE. UU., que no participó en el trabajo, considera que la capacidad de controlar los espectros de las ondas de radio podría permitir aplicaciones tales como imágenes médicas con inversión de tiempo, ocultación temporal (una contraparte de la ocultación espacial) y una mejor estimación del canal. números en la comunicación inalámbrica. “Estas demostraciones muestran que la modulación del tiempo se puede agregar como un nuevo ingrediente para la manipulación de ondas”, dice.

simone zanotto de la Scuola Normale Superiore en Pisa, Italia, está de acuerdo. “Los ingenieros de radio pueden decir que tienen un nuevo instrumento en su caja de herramientas”, dice. “Un instrumento cuyo principio operativo se entiende bien y probablemente se puede ajustar aún más a sus necesidades”.

La investigación se publica en Física de la naturaleza.

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