Des physiciens effectuent la toute première mesure de la "réflexion temporelle" dans les micro-ondes

Physiciens aux États-Unis ont constaté un effet connue sous le nom de temps de réflexion dans une onde électromagnétique pour la première fois. Ils ont détecté le phénomène - la contrepartie temporelle de la réflexion spatiale familière - en commutant rapidement une série de condensateurs dans un nouveau type de métamatériau. Ils disent que le résultat pourrait améliorer la communication sans fil et, en fin de compte, contribuer à l'informatique optique tant recherchée.

La réflexion quotidienne implique la transformation d'un paquet d'ondes lorsqu'il rencontre une interface dans une région distincte de l'espace. Le processus préserve l'ordre temporel, de sorte que la partie avant de l'onde incidente reste en avant après réflexion. Cela signifie que les objets plus éloignés d'un miroir semblent plus éloignés dans la réflexion, tandis que les sons en écho reviennent dans le même ordre qu'ils ont été émis.

La réflexion temporelle implique plutôt la transformation d'un paquet d'ondes à la suite d'un changement brusque de temps qui s'applique de manière égale à tout le milieu qu'il traverse. En d'autres termes, le matériau en question subit un changement soudain de ses propriétés. Cela amène l'onde à changer de direction de sorte que son bord de fuite avant la réflexion est maintenant à l'avant. Les objets plus proches d'un miroir dans le monde réel regarderaient plus loin dans la réflexion, tandis que pour un écho, le dernier son émis deviendrait le premier à revenir.

Les deux procédés conservent des quantités différentes. Une onde rebondissant sur un objet transfère de l'élan à cet objet tandis que sa fréquence est conservée. En revanche, une onde réfléchie dans le temps doit conserver son élan, provoquant une modification de la vitesse à laquelle elle oscille (sa fréquence). En d'autres termes, l'onde réfléchie conserve sa forme mais s'étire dans le temps.

À ce jour, les scientifiques n'ont observé de telles réflexions temporelles que dans les vagues d'eau. Voir la même chose dans le rayonnement électromagnétique est compliqué par la haute fréquence des ondes. L'astuce consiste à pouvoir commuter uniformément l'indice de réfraction d'un matériau à une vitesse suffisamment élevée – en prenant beaucoup moins de temps que la période d'onde – et avec un contraste suffisamment important pour générer un effet mesurable.

Il est temps de réfléchir

Andrea Alù et des collègues de la City University of New York ont ​​maintenant réussi à le faire en concevant un nouveau type de métamatériau. Les métamatériaux ont des propriétés électromagnétiques remarquables, grâce à leur grand nombre de structures d'ingénierie minuscules et précisément disposées.

Le matériau en question est constitué d'une bande de métal de 6 m de long servant de guide d'ondes micro-ondes qui serpente 20 fois d'avant en arrière pour former un dispositif d'environ 30 cm². Trente circuits capacitifs sont disposés à intervalles réguliers sur la longueur de la bande, mais séparés de celle-ci par des interrupteurs. L'idée est d'injecter un train d'impulsions micro-ondes, puis d'allumer ou d'éteindre tous les circuits en même temps pendant que les impulsions transitent le long de la bande, provoquant un changement soudain de l'indice de réfraction et de l'impédance effectifs du métamatériau. Ce changement soudain reflète temporellement le signal micro-onde.

Alù et ses collègues ont pu doubler (ou réduire de moitié) l'indice de réfraction en beaucoup moins de temps qu'il n'en a fallu à l'onde pour effectuer une seule oscillation, grâce à leur circuit de commutation prenant un raccourci à travers le guide d'ondes serpentant. En injectant un signal composé de deux pics de force inégale, puis en connectant les circuits capacitifs, ils ont constaté qu'une partie du signal revenait au port d'entrée avec les pics dans l'ordre inverse et s'étirait dans le temps - comme on pouvait s'y attendre pendant un certain temps. -onde réfléchie. Le reste du signal est plutôt revenu au port avec les deux pics dans leur ordre d'origine, ayant été réfléchis spatialement sur l'extrémité éloignée du métamatériau.

Selon Alù, la nature analogique de ce mécanisme d'inversion du temps pourrait conduire à un certain nombre d'applications. Par exemple, dit-il, il pourrait être utilisé pour lutter contre la distorsion dans un canal de données sans fil. Une telle distorsion est souvent estimée par une station réceptrice renvoyant des signaux connus à l'émetteur avec leurs profils temporels inversés. Mais cela implique généralement de numériser les signaux. Les réflexions temporelles étant plutôt entièrement analogiques, il dit que leur utilisation pourrait économiser du temps, de l'énergie et de la mémoire.

Les ingénieurs radio peuvent dire qu'ils ont un nouvel instrument dans leur boîte à outils

Simone Zanotto

À plus long terme, dit-il, le système pourrait être utilisé dans une nouvelle génération d'ordinateurs optiques analogiques. Comme il le souligne, le temps et l'énergie sont sacrifiés dans les ordinateurs actuels en raison de la nécessité de convertir des signaux électriques analogiques vers et depuis le domaine numérique. Mais il s'avère qu'un type d'opération analogique particulièrement utile pour le traitement du signal et le calcul est la conjugaison de phase - la transformation qui se produit lorsque les ondes subissent une réflexion temporelle.

Avant que cela ne se produise, Alù et ses collègues essaieront de réduire leur métamatériau autant que possible. Il dit qu'ils travaillent actuellement sur une version à l'échelle de la puce qui fonctionnerait à des fréquences beaucoup plus élevées - dans la gamme des dizaines de gigahertz, plutôt que les centaines de mégahertz de leur appareil actuel. Ils pourraient éventuellement atteindre le térahertz et au-delà, dit-il, bien qu'à ce stade, ils devraient utiliser des impulsions laser plutôt que des interrupteurs électriques.

Cristaux de temps : la recherche d'une nouvelle phase de la matière

Chen Shen de l'Université Rowan aux États-Unis, qui n'a pas participé aux travaux, estime que la capacité de contrôler les spectres des ondes radio pourrait permettre des applications telles que l'imagerie médicale à inversion du temps, le cloaking temporel (un pendant du cloaking spatial) et une meilleure estimation du canal numéros dans la communication sans fil. "Ces démonstrations montrent que la modulation du temps peut être ajoutée comme nouvel ingrédient pour la manipulation des ondes", dit-il.

Simone Zanotto de la Scuola Normale Superiore de Pise, en Italie, est d'accord. "Les ingénieurs radio peuvent dire qu'ils ont un nouvel instrument dans leur boîte à outils", dit-il. "Un instrument dont le principe de fonctionnement est bien compris et probablement plus adapté à leurs besoins."

La recherche est publiée dans Physique de la nature.

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