Fysikere utfører første gang noensinne måling av 'tidsrefleksjon' i mikrobølger

Fysikere i USA har observert en effekt kjent som tidsrefleksjon i en elektromagnetisk bølge for første gang. De oppdaget fenomenet – det tidsmessige motstykket til kjent romlig refleksjon – ved raskt å bytte en serie kondensatorer i en ny type metamateriale. De sier at resultatet kan forbedre trådløs kommunikasjon og til slutt bidra til å få til lenge ettertraktet optisk databehandling.

Hverdagsrefleksjon innebærer transformasjon av en bølgepakke når den møter et grensesnitt i et distinkt område av rommet. Prosessen bevarer tidsmessig orden, slik at den ledende delen av hendelsesbølgen forblir foran etter refleksjon. Dette betyr at objekter lenger fra et speil ser fjernere ut i refleksjonen, mens lyder i et ekko kommer tilbake i samme rekkefølge som de ble sendt ut.

Tidsrefleksjon innebærer i stedet at en bølgepakke transformeres som et resultat av en brå endring i tid som gjelder likt i hele mediet den krysser. Det aktuelle materialet opplever med andre ord et plutselig skifte i egenskapene. Dette får bølgen til å bytte retning slik at dens bakkant før refleksjon nå er foran. Objekter nærmere et speil i den virkelige verden ville se lenger bort i refleksjonen, mens for et ekko ville den siste lyden som ble sendt ut, bli den første som kom tilbake.

De to prosessene bevarer forskjellige mengder. En bølge som spretter av et objekt overfører momentum til det objektet mens frekvensen er bevart. I motsetning til dette må en bølge som reflekteres i tid bevare momentum, og forårsake en endring i hastigheten den svinger med (dens frekvens). Med andre ord, den reflekterte bølgen beholder sin form, men strekkes ut i tid.

Til dags dato har forskere bare observert slike tidsmessige refleksjoner i vannbølger. Å se det samme i elektromagnetisk stråling er komplisert av den høye frekvensen til bølgene. Trikset innebærer å kunne bytte et materiales brytningsindeks jevnt med høy nok hastighet – det tar mye mindre tid enn bølgeperioden – og med stor nok kontrast til å generere en målbar effekt.

På tide å reflektere

Andrea Alù og kolleger ved City University of New York har nå lykkes med det ved å utvikle en ny type metamateriale. Metamaterialer har slående elektromagnetiske egenskaper, takket være deres store antall små, nøyaktig ordnede konstruerte strukturer.

Det aktuelle materialet består av en 6 m lang metallstrimmel som fungerer som en mikrobølgeleder som slanger seg frem og tilbake 20 ganger for å danne en enhet på ca. 30 cm.². Tretti kapasitive kretser er plassert med jevne mellomrom langs lengden av stripen, men atskilt fra den med brytere. Ideen er å injisere et tog av mikrobølgepulser og deretter slå alle kretsene på eller av samtidig mens pulsene er i transitt langs stripen - noe som forårsaker en plutselig endring i metamaterialets effektive brytningsindeks og impedans. Den plutselige endringen reflekterer mikrobølgesignalet midlertidig.

Alù og kollegene var i stand til å doble (eller halvere) brytningsindeksen på langt kortere tid enn det tok bølgen å fullføre en enkelt svingning, takket være deres svitsjekrets som tok en snarvei over den slingrende bølgelederen. Ved å injisere et signal bestående av to ulikt sterke topper og deretter koble sammen de kapasitive kretsene, fant de ut at en del av signalet kom tilbake til inngangsporten med toppene i omvendt rekkefølge og strukket ut i tid – akkurat som man ville forvente en stund -reflektert bølge. Resten av signalet returnerte i stedet til havnen med de to toppene i sin opprinnelige rekkefølge, etter å ha reflektert romlig fra den fjerne enden av metamaterialet.

I følge Alù kan den analoge karakteren til denne tidsreverseringsmekanismen føre til en rekke bruksområder. For eksempel, sier han, kan det brukes til å bekjempe forvrengning i en trådløs datakanal. Slik forvrengning estimeres ofte ved at en mottakerstasjon sender tilbake kjente signaler til senderen med deres tidsmessige profiler reversert. Men dette innebærer vanligvis digitalisering av signalene. Ettersom tidsrefleksjoner i stedet er helt analoge, sier han at bruken av dem kan spare tid, energi og minne.

Radioingeniører kan si at de har et nytt instrument i verktøykassen

Simone Zanotto

På lengre sikt, sier han, kan ordningen finne bruk i en ny generasjon analoge optiske datamaskiner. Som han påpeker, ofres tid og energi i dagens datamaskiner som følge av at man må konvertere analoge elektriske signaler til og fra det digitale domenet. Men det viser seg at en type analog operasjon som er spesielt nyttig for signalbehandling og databehandling, er fasekonjugering – transformasjonen som finner sted når bølger gjennomgår tidsrefleksjon.

Før dette kan skje, vil Alù og kollegene hans prøve å krympe metamaterialet deres så langt som mulig. Han sier at de for tiden jobber med en versjon i brikkeskala som vil fungere ved mye høyere frekvenser – i titalls gigahertz-rekkevidden, i stedet for hundrevis av megahertz til deres nåværende enhet. De kan tenkes å komme til terahertz og utover, sier han, selv om de på det tidspunktet måtte bruke laserpulser i stedet for elektriske brytere.

Tidskrystaller: jakten på en ny fase av materie

Chen Shen fra Rowan University i USA, som ikke var involvert i arbeidet, regner med at evnen til å kontrollere spektra av radiobølger kan muliggjøre applikasjoner som tidsreverserende medisinsk bildebehandling, tidsmessig maskering (et motstykke til romlig maskering) og bedre estimering av kanal tall i trådløs kommunikasjon. "Disse demonstrasjonene viser at tidsmodulasjon kan legges til som en ny ingrediens for bølgemanipulering," sier han.

Simone Zanotto fra Scuola Normale Superiore i Pisa, Italia, er enig. "Radioingeniører kan si at de har et nytt instrument i verktøykassen," sier han. "Et instrument hvis driftsprinsipp er godt forstått og sannsynligvis ytterligere avstemt etter deres behov."

Forskningen er publisert i Naturfysikk.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/