Füüsikud mõõdavad mikrolainetes esimest korda aja peegeldust

Füüsikud USA-s on täheldanud mõju esimest korda tuntud kui aja peegeldus elektromagnetlaines. Nad avastasid nähtuse – tuttava ruumilise peegelduse ajalise vaste – uudset tüüpi metamaterjalide kondensaatorite seeriat kiiresti vahetades. Nad ütlevad, et tulemus võib parandada traadita sidet ja lõpuks aidata kaasa kauaotsitud optilise andmetöötluse loomisele.

Igapäevane peegeldus hõlmab lainepaketi transformatsiooni, kui see kohtub liidesega kindlas ruumipiirkonnas. Protsess säilitab ajalise järjestuse, nii et langeva laine juhtosa jääb pärast peegeldust ettepoole. See tähendab, et peeglist kaugemal olevad objektid paistavad peegelduses kaugemal, samas kui kajas olevad helid jõuavad tagasi samas järjekorras, kui need välja saadeti.

Aja peegeldus hõlmab selle asemel lainepaketi teisendamist aja järsu muutumise tulemusena, mis kehtib võrdselt kogu keskkonnas, mida see läbib. Teisisõnu, kõnealuse materjali omadused muutuvad järsult. See muudab laine suunda nii, et selle tagaserv enne peegeldust on nüüd ees. Reaalses maailmas peeglile lähemal olevad objektid vaataksid peegelduses kaugemale, samas kui kaja puhul jõuaks viimane väljastatud heli esimesena tagasi.

Need kaks protsessi säästavad erinevaid koguseid. Objektilt tagasi põrkav laine kannab sellele objektile hoogu üle, samal ajal kui selle sagedus säilib. Seevastu ajas peegeldunud laine peab säilitama impulsi, põhjustades muutuse selle võnkekiiruses (selle sageduses). Teisisõnu, peegeldunud laine säilitab oma kuju, kuid on aja jooksul välja venitatud.

Praeguseks on teadlased selliseid ajalisi peegeldusi täheldanud ainult veelainetes. Sama asja nägemist elektromagnetkiirguses teeb keeruliseks lainete kõrge sagedus. Trikk hõlmab materjali murdumisnäitaja ühtlast ümberlülitamist piisavalt suure kiirusega – selleks kulub palju vähem aega kui laineperiood – ja piisavalt suure kontrastiga, et tekitada mõõdetav efekt.

Aeg järelemõtlemiseks

Andrea Alù ja kolleegid New Yorgi linnaülikoolist on nüüd suutnud seda teha, töötades välja uut tüüpi metamaterjali. Metamaterjalidel on silmatorkavad elektromagnetilised omadused tänu nende suurele hulgale pisikestele, täpselt paigutatud projekteeritud struktuuridele.

Kõnealune materjal koosneb 6 m pikkusest metallribast, mis toimib mikrolainejuhina ja mis liigub 20 korda edasi-tagasi, moodustades umbes 30 cm pikkuse seadme.². Kolmkümmend mahtuvuslikku ahelat paiknevad korrapäraste ajavahemike järel piki riba pikkust, kuid eraldatakse sellest lülititega. Idee on süstida mikrolaineimpulsside jada ja seejärel lülitada kõik ahelad samal ajal sisse või välja, samal ajal kui impulsid liiguvad mööda riba, põhjustades järsu muutuse metamaterjali efektiivses murdumisnäitajas ja impedantsis. See järsk muutus peegeldab ajutiselt mikrolainesignaali.

Alù ja tema kolleegid suutsid murdumisnäitaja kahekordistada (või poole võrra) palju lühema ajaga, kui lainel kulus ühe võnkumise lõpuleviimiseks, tänu nende lülitusskeemidele, mis lõid läbi õõtsuva lainejuhi. Sisestades kahest ebavõrdselt tugevast piigist koosneva signaali ja ühendades seejärel mahtuvuslikud ahelad, leidsid nad, et osa signaalist saabus sisendporti tagasi, kusjuures piigid olid vastupidises järjekorras ja venisid õigel ajal välja – täpselt nii, nagu mõneks ajaks oodata võiks. -peegeldunud laine. Ülejäänud signaal naasis porti kahe tipuga nende algses järjekorras, olles ruumiliselt peegeldunud metamaterjali kaugemast otsast.

Alù sõnul võib selle aja tagasipööramise mehhanismi analoogne olemus tuua kaasa mitmeid rakendusi. Näiteks võib seda tema sõnul kasutada traadita andmekanali moonutuste vastu võitlemiseks. Selliseid moonutusi hindab sageli vastuvõtjajaam, kes saadab teadaolevad signaalid saatjale tagasi, kusjuures nende ajalised profiilid on vastupidised. Kuid see hõlmab tavaliselt signaalide digiteerimist. Kuna ajapeegeldused on selle asemel täiesti analoogsed, võib tema sõnul nende kasutamine säästa aega, energiat ja mälu.

Raadioinsenerid võivad öelda, et nende tööriistakastis on uus instrument

Simone Zanotto

Ta ütleb, et pikemas perspektiivis võib skeem leida kasutust uue põlvkonna optilistes analoogarvutites. Nagu ta märgib, ohverdatakse praegustes arvutites aega ja energiat seetõttu, et nad peavad teisendama analoogseid elektrisignaale digitaalsesse domeeni ja sealt välja. Kuid selgub, et üks signaalitöötluse ja andmetöötluse jaoks eriti kasulik analoogoperatsiooni tüüp on faasikonjugatsioon – teisendus, mis toimub siis, kui lained läbivad aja peegeldumist.

Enne kui see juhtuda saab, püüavad Alù ja tema kolleegid oma metamaterjali nii palju kui võimalik kahandada. Ta ütleb, et nad töötavad praegu kiibipõhise versiooni kallal, mis töötaks palju kõrgematel sagedustel - pigem kümnete gigahertside vahemikus kui nende praeguse seadme sadade megahertside vahemikus. Ta ütleb, et nad võivad jõuda terahertsini ja kaugemalegi, kuigi sel hetkel peaksid nad kasutama pigem laserimpulsse kui elektrilisi lüliteid.

Ajakristallid: mateeria uue faasi otsimine

Chen Shen USA Rowani ülikooli teadlane, kes selle tööga ei osalenud, arvab, et raadiolainete spektrite juhtimise võime võimaldab kasutada selliseid rakendusi nagu ajas ümberpööratud meditsiiniline pildistamine, ajaline varjamine (ruumilise varjamise vaste) ja kanalite parem hindamine. numbrid traadita sides. "Need demonstratsioonid näitavad, et aja modulatsiooni saab lisada lainete manipuleerimise uue koostisosana, " ütleb ta.

Simone Zanotto Itaalias Pisas asuva Scuola Normale Superiore esindaja nõustub. "Raadioinsenerid võivad öelda, et nende tööriistakastis on uus instrument," ütleb ta. "Instrumendi, mille tööpõhimõte on hästi mõistetav ja tõenäoliselt veelgi häälestatav vastavalt nende vajadustele."

Uuring on avaldatud aastal Loodusfüüsika.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/