Fyysikot mittaavat ensimmäistä kertaa "aikaheijastuksen" mikroaalloissa

Fyysikot Yhdysvalloissa ovat havainneet vaikutusta tunnetaan ensimmäistä kertaa aikaheijastuksena sähkömagneettisessa aallossa. He havaitsivat ilmiön – tutun spatiaalisen heijastuksen ajallisen vastineen – vaihtamalla nopeasti sarjan kondensaattoreita uudentyyppisessä metamateriaalissa. He sanovat, että tulos voisi parantaa langatonta viestintää ja lopulta auttaa saamaan aikaan kauan kaivattua optista tietojenkäsittelyä.

Jokapäiväinen heijastus sisältää aaltopaketin muuntamisen, kun se kohtaa rajapinnan erillisellä avaruuden alueella. Prosessi säilyttää ajallisen järjestyksen, jolloin tulevan aallon johtava osa jää eteenpäin heijastuksen jälkeen. Tämä tarkoittaa, että peilistä kauempana olevat esineet näyttävät heijastuksessa kauempana, kun taas kaiussa olevat äänet saapuvat takaisin samassa järjestyksessä kuin ne lähetettiin.

Sen sijaan aikaheijastus tarkoittaa, että aaltopaketti muuttuu äkillisen ajan muutoksen seurauksena, joka pätee yhtäläisesti koko väliaineeseen, jonka se kulkee. Toisin sanoen kyseessä olevan materiaalin ominaisuudet muuttuvat äkillisesti. Tämä saa aallon vaihtamaan suuntaa siten, että sen takareuna ennen heijastusta on nyt edessä. Todellisessa maailmassa peiliä lähempänä olevat esineet näyttäisivät kauempana heijastuksessa, kun taas kaiun kohdalla viimeinen lähetetty ääni palaisi ensimmäisenä takaisin.

Nämä kaksi prosessia säästävät eri määriä. Kohteesta pomppiva aalto siirtää vauhtia kyseiseen esineeseen, kun sen taajuus säilyy. Sitä vastoin ajassa heijastuneen aallon on säilytettävä liikemäärä, mikä aiheuttaa muutosta sen värähtelynopeudessa (sen taajuudessa). Toisin sanoen heijastuva aalto säilyttää muotonsa, mutta venyy ajallaan.

Tähän mennessä tutkijat ovat havainneet tällaisia ​​ajallisia heijastuksia vain vesiaalloissa. Saman asian näkemistä sähkömagneettisessa säteilyssä vaikeuttaa aaltojen korkea taajuus. Temppu sisältää kyvyn vaihtaa materiaalin taitekerrointa tasaisesti riittävän suurella nopeudella – vie paljon vähemmän aikaa kuin aaltojakso – ja riittävän suurella kontrastilla, jotta saadaan aikaan mitattavissa oleva vaikutus.

Aika pohtia

Andrea Alù ja kollegat City University of New Yorkista ovat nyt onnistuneet tekemään sen kehittämällä uudenlaisen metamateriaalin. Metamateriaaleilla on silmiinpistäviä sähkömagneettisia ominaisuuksia niiden suuren määrän pienten, tarkasti järjestettyjen suunniteltujen rakenteiden ansiosta.

Kyseinen materiaali koostuu 6 m pitkästä metallinauhasta, joka toimii mikroaaltouunin aaltoputkena, joka kiertelee edestakaisin 20 kertaa muodostaen noin 30 cm:n laitteen.². Kolmekymmentä kapasitiivista piiriä on sijoitettu säännöllisin välein nauhan pituudelle, mutta erotettu siitä kytkimillä. Ajatuksena on injektoida joukko mikroaaltopulsseja ja kytkeä sitten kaikki piirit päälle tai pois samaan aikaan, kun pulssit kulkevat nauhaa pitkin - mikä aiheuttaa äkillisen muutoksen metamateriaalin tehokkaassa taitekertoimessa ja impedanssissa. Tuo äkillinen muutos ajallisesti heijastaa mikroaaltosignaalia.

Alù ja kollegat pystyivät kaksinkertaistamaan (tai puolittamaan) taitekertoimen paljon lyhyemmässä ajassa kuin mitä aalto kesti yhden värähtelyn suorittamiseen, kiitos heidän kytkentäpiirinsä, joka otti oikosulun heilahtelevan aaltoputken poikki. Injektoimalla kahdesta epätasaisen voimakkaasta huipusta koostuvan signaalin ja yhdistämällä sitten kapasitiiviset piirit, he havaitsivat, että osa signaalista saapui takaisin tuloporttiin huiput käänteisessä järjestyksessä ja venyivät ajallaan – aivan kuten olisi odotettavissa jonkin aikaa. - heijastuva aalto. Loput signaalista sen sijaan palasivat porttiin kahdella huipulla alkuperäisessä järjestyksessään heijastuneena avaruudellisesti metamateriaalin kauimmasta päästä.

Alùn mukaan tämän ajanvaihtomekanismin analoginen luonne voi johtaa useisiin sovelluksiin. Hän sanoo, että sitä voidaan esimerkiksi käyttää torjumaan vääristymiä langattomassa datakanavassa. Tällaista säröä arvioi usein vastaanotinasema, joka lähettää tunnetut signaalit takaisin lähettimelle niiden ajalliset profiilit käänteisinä. Mutta tähän liittyy yleensä signaalien digitalisointi. Koska aikaheijastukset ovat sen sijaan täysin analogisia, hän sanoo, että niiden käyttö voisi säästää aikaa, energiaa ja muistia.

Radioinsinöörit saattavat sanoa, että heillä on uusi instrumentti työkalupakkissaan

Simone Zanotto

Pidemmällä aikavälillä hän sanoo, että järjestelmä saattaa löytää käyttöä uuden sukupolven analogisissa optisissa tietokoneissa. Kuten hän huomauttaa, nykyisissä tietokoneissa uhrataan aikaa ja energiaa, koska analogisia sähkösignaaleja on muutettava digitaaliseen alueeseen ja sieltä pois. Mutta käy ilmi, että yksi analogisten toimintojen tyyppi, joka on erityisen hyödyllinen signaalinkäsittelyssä ja laskennassa, on vaihekonjugaatio – muunnos, joka tapahtuu, kun aallot heijastavat aika-aallot.

Ennen kuin tämä voi tapahtua, Alù ja hänen kollegansa yrittävät kutistaa metamateriaaliaan niin pitkälle kuin mahdollista. Hän sanoo, että he työskentelevät parhaillaan sirumittakaavaisen version parissa, joka toimisi paljon korkeammilla taajuuksilla - kymmenien gigahertsien alueella nykyisen laitteen satojen megahertsien sijaan. Hän sanoo, että he saattavat saavuttaa terahertsejä ja enemmänkin, vaikka siinä vaiheessa heidän olisi käytettävä laserpulsseja sähkökytkimien sijaan.

Aikakiteet: aineen uuden vaiheen etsintä

Chen Shen Yhdysvaltalaisen Rowanin yliopiston tutkija, joka ei osallistunut työhön, arvioi, että kyky hallita radioaaltojen spektrejä voisi mahdollistaa sovelluksia, kuten ajan käänteisen lääketieteellisen kuvantamisen, temporaalisen peittämisen (vastakohta spatiaaliselle peittämiselle) ja paremman kanavan arvioinnin. numerot langattomassa viestinnässä. "Nämä demonstraatiot osoittavat, että aikamodulaatio voidaan lisätä uutena ainesosana aaltojen manipulointiin", hän sanoo.

Simone Zanotto Scuola Normale Superioresta Pisassa, Italiassa, on samaa mieltä. "Radioinsinöörit saattavat sanoa, että heillä on uusi instrumentti työkalupakkissaan", hän sanoo. "Instrumentti, jonka toimintaperiaate on hyvin ymmärretty ja luultavasti edelleen viritettävä heidän tarpeidensa mukaan."

Tutkimus julkaistaan Luontofysiikka.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/