Natuurkundigen voeren voor het eerst metingen uit van 'tijdreflectie' in microgolven

Natuurkundigen in de VS effect hebben waargenomen voor het eerst bekend als tijdreflectie in een elektromagnetische golf. Ze ontdekten het fenomeen - de tijdelijke tegenhanger van bekende ruimtelijke reflectie - door snel een reeks condensatoren te schakelen in een nieuw type metamateriaal. Ze zeggen dat het resultaat de draadloze communicatie zou kunnen verbeteren en uiteindelijk zou kunnen helpen bij het realiseren van lang gezochte optische computers.

Dagelijkse reflectie omvat de transformatie van een golfpakket wanneer het een interface ontmoet in een bepaald deel van de ruimte. Het proces behoudt de tijdsordening, zodat het leidende deel van de invallende golf na reflectie voor blijft. Dit betekent dat objecten die verder van een spiegel verwijderd zijn verder weg lijken in de reflectie, terwijl geluiden in een echo terugkomen in dezelfde volgorde waarin ze werden uitgezonden.

Tijdreflectie houdt in plaats daarvan in dat een golfpakket wordt getransformeerd als gevolg van een abrupte verandering in de tijd die gelijkelijk van toepassing is op het medium dat het doorkruist. Met andere woorden, het materiaal in kwestie ondergaat een plotselinge verschuiving in zijn eigenschappen. Hierdoor verandert de golf van richting zodat de achterrand vóór reflectie zich nu aan de voorkant bevindt. Objecten die zich in de echte wereld dichter bij een spiegel bevinden, kijken verder weg in de reflectie, terwijl voor een echo het laatste uitgezonden geluid het eerste is dat terugkomt.

De twee processen behouden verschillende hoeveelheden. Een golf die tegen een object stuitert, brengt momentum over op dat object terwijl de frequentie behouden blijft. Een golf die in de tijd wordt gereflecteerd, moet daarentegen het momentum behouden, waardoor de snelheid waarmee hij oscilleert (de frequentie) verandert. Met andere woorden, de gereflecteerde golf behoudt zijn vorm maar wordt uitgerekt in de tijd.

Tot op heden hebben wetenschappers dergelijke tijdelijke reflecties alleen waargenomen in watergolven. Hetzelfde zien in elektromagnetische straling wordt bemoeilijkt door de hoge frequentie van de golven. De truc is om de brekingsindex van een materiaal uniform te kunnen schakelen met een snelheid die hoog genoeg is - wat veel minder tijd kost dan de golfperiode - en met voldoende contrast om een ​​meetbaar effect te genereren.

Tijd om na te denken

Andrea Alù en collega's van de City University of New York zijn daar nu in geslaagd door een nieuw soort metamateriaal te bedenken. Metamaterialen hebben opvallende elektromagnetische eigenschappen, dankzij hun grote aantal kleine, nauwkeurig geordende constructies.

Het materiaal in kwestie bestaat uit een 6 m lange strook metaal die dienst doet als microgolfgolfgeleider die 20 keer heen en weer slingert om een ​​apparaat van ongeveer 30 cm te vormen². Dertig capacitieve circuits zijn op regelmatige afstanden over de lengte van de strip geplaatst, maar daarvan gescheiden door schakelaars. Het idee is om een ​​reeks microgolfpulsen te injecteren en vervolgens alle circuits tegelijkertijd in of uit te schakelen terwijl de pulsen langs de strip gaan - waardoor de effectieve brekingsindex en impedantie van het metamateriaal plotseling veranderen. Die plotselinge verandering reflecteert tijdelijk het microgolfsignaal.

Alù en collega's waren in staat om de brekingsindex te verdubbelen (of te halveren) in veel minder tijd dan de golf nodig had om een ​​enkele oscillatie te voltooien, dankzij hun schakelcircuits die een kortere weg over de kronkelende golfgeleider namen. Door een signaal te injecteren dat bestaat uit twee ongelijk sterke pieken en vervolgens de capacitieve circuits met elkaar te verbinden, ontdekten ze dat een deel van het signaal terugkwam bij de ingangspoort met de pieken in omgekeerde volgorde en uitgestrekt in de tijd - precies zoals een tijdlang zou worden verwacht - gereflecteerde golf. De rest van het signaal keerde in plaats daarvan terug naar de poort met de twee pieken in hun oorspronkelijke volgorde, ruimtelijk gereflecteerd door het uiteinde van het metamateriaal.

Volgens Alù zou het analoge karakter van dit tijdomkeermechanisme tot een aantal toepassingen kunnen leiden. Hij zegt dat het bijvoorbeeld kan worden gebruikt om vervorming in een draadloos datakanaal tegen te gaan. Een dergelijke vervorming wordt vaak geschat door een ontvangststation dat bekende signalen terugstuurt naar de zender met hun temporele profielen omgekeerd. Maar meestal gaat het om het digitaliseren van de signalen. Omdat tijdreflecties in plaats daarvan volledig analoog zijn, zegt hij dat het gebruik ervan tijd, energie en geheugen kan besparen.

Radiotechnici kunnen zeggen dat ze een nieuw instrument in hun gereedschapskist hebben

Simone Zanotto

Op de langere termijn, zegt hij, kan het schema worden gebruikt in een nieuwe generatie analoge optische computers. Zoals hij opmerkt, worden in de huidige computers tijd en energie opgeofferd doordat analoge elektrische signalen van en naar het digitale domein moeten worden omgezet. Maar het blijkt dat een soort analoge bewerking die vooral nuttig is voor signaalverwerking en berekeningen faseconjugatie is - de transformatie die plaatsvindt wanneer golven tijdreflectie ondergaan.

Voordat dit kan gebeuren, zullen Alù en zijn collega's proberen hun metamateriaal zo ver mogelijk te verkleinen. Hij zegt dat ze momenteel werken aan een versie op chipschaal die op veel hogere frequenties zou werken - in het bereik van tientallen gigahertz, in plaats van de honderden megahertz van hun huidige apparaat. Het is denkbaar dat ze terahertz en hoger bereiken, zegt hij, hoewel ze op dat moment laserpulsen zouden moeten gebruiken in plaats van elektrische schakelaars.

Tijdkristallen: de zoektocht naar een nieuwe fase van de materie

Chen Shen van Rowan University in de VS, die niet betrokken was bij het werk, meent dat het vermogen om de spectra van radiogolven te beheersen toepassingen mogelijk zou kunnen maken zoals medische beeldvorming met tijdomkering, temporale verhulling (een tegenhanger van ruimtelijke verhulling) en een betere schatting van kanaal nummers in draadloze communicatie. "Deze demonstraties laten zien dat tijdmodulatie kan worden toegevoegd als een nieuw ingrediënt voor golfmanipulatie", zegt hij.

Simone Zanotto van de Scuola Normale Superiore in Pisa, Italië, is het daarmee eens. "Radio-ingenieurs zeggen misschien dat ze een nieuw instrument in hun gereedschapskist hebben", zegt hij. "Een instrument waarvan het werkingsprincipe goed wordt begrepen en waarschijnlijk verder kan worden afgestemd op hun behoeften."

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurfysica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/