Fysiker utför första någonsin mätning av "tidsreflektion" i mikrovågor

Fysiker i USA har observerat en effekt känd som tidsreflektion i en elektromagnetisk våg för första gången. De upptäckte fenomenet – den tidsmässiga motsvarigheten till välbekant rumslig reflektion – genom att snabbt byta en serie kondensatorer i en ny typ av metamaterial. De säger att resultatet kan förbättra den trådlösa kommunikationen och i slutändan bidra till att åstadkomma länge eftersökt optisk datoranvändning.

Vardagsreflektion involverar omvandlingen av ett vågpaket när det möter ett gränssnitt i ett distinkt område av rymden. Processen bevarar temporal ordning, så att den ledande delen av den infallande vågen förblir före efter reflektion. Detta innebär att objekt längre från en spegel ser längre bort i reflektionen, medan ljud i ett eko kommer tillbaka i samma ordning som de sänds ut.

Tidsreflektion innebär istället att ett vågpaket transformeras som ett resultat av en abrupt tidsförändring som gäller lika mycket i det medium som det passerar. Med andra ord, materialet i fråga upplever en plötslig förändring i sina egenskaper. Detta får vågen att byta riktning så att dess bakkant före reflektion nu är längst fram. Objekt närmare en spegel i den verkliga världen skulle titta längre bort i reflektionen, medan för ett eko det sista ljudet som sänds ut skulle bli det första att komma tillbaka.

De två processerna bevarar olika kvantiteter. En våg som studsar mot ett objekt överför momentum till det objektet medan dess frekvens bevaras. Däremot måste en våg som reflekteras i tid bevara momentum, vilket orsakar en förändring i hastigheten med vilken den svänger (dess frekvens). Med andra ord, den reflekterade vågen behåller sin form men sträcks ut i tiden.

Hittills har forskare bara observerat sådana tidsmässiga reflektioner i vattenvågor. Att se samma sak i elektromagnetisk strålning kompliceras av vågornas höga frekvens. Tricket går ut på att kunna ändra ett material brytningsindex jämnt med en tillräckligt hög hastighet – tar mycket kortare tid än vågperioden – och med tillräckligt stor kontrast för att generera en mätbar effekt.

Dags att reflektera

Andrea Alù och kollegor vid City University of New York har nu lyckats göra det genom att ta fram en ny sorts metamaterial. Metamaterial har slående elektromagnetiska egenskaper, tack vare deras stora antal små, exakt arrangerade konstruerade strukturer.

Materialet i fråga består av en 6 m lång metallremsa som fungerar som mikrovågsledare som slingrar sig fram och tillbaka 20 gånger för att bilda en enhet på cirka 30 cm². Trettio kapacitiva kretsar är placerade med jämna mellanrum längs remsan, men separerade från den med omkopplare. Tanken är att injicera ett tåg av mikrovågspulser och sedan slå på eller av alla kretsar samtidigt medan pulserna är på väg längs remsan – vilket orsakar en plötslig förändring i metamaterialets effektiva brytningsindex och impedans. Den plötsliga förändringen återspeglar mikrovågssignalen temporärt.

Alù och kollegor kunde fördubbla (eller halvera) brytningsindexet på mycket kortare tid än vad det tog vågen att slutföra en enda svängning, tack vare att deras omkopplingskrets tog en genväg över den slingrande vågledaren. Genom att injicera en signal bestående av två ojämnt starka toppar och sedan koppla ihop de kapacitiva kretsarna fann de att en del av signalen kom tillbaka till ingångsporten med topparna i omvänd ordning och sträckte ut i tiden – precis som man skulle förvänta sig under en tid -reflekterad våg. Resten av signalen återvände istället till hamnen med de två topparna i sin ursprungliga ordning, efter att ha reflekterats från den bortre änden av metamaterialet.

Enligt Alù kan den analoga karaktären hos denna tidsomkastningsmekanism leda till ett antal tillämpningar. Till exempel, säger han, kan det användas för att bekämpa distorsion i en trådlös datakanal. Sådan distorsion uppskattas ofta av en mottagarstation som sänder tillbaka kända signaler till sändaren med deras tidsprofiler omvända. Men det handlar oftast om att digitalisera signalerna. Eftersom tidsreflektioner istället är helt analoga, säger han att användningen av dem kan spara tid, energi och minne.

Radioingenjörer kan säga att de har ett nytt instrument i sin verktygslåda

Simone Zanotto

På längre sikt, säger han, kan systemet komma till användning i en ny generation av analoga optiska datorer. Som han påpekar, offras tid och energi i nuvarande datorer som ett resultat av att man måste konvertera analoga elektriska signaler till och från den digitala domänen. Men det visar sig att en typ av analog operation som är särskilt användbar för signalbehandling och beräkning är faskonjugering – den transformation som sker när vågor genomgår tidsreflektion.

Innan detta kan hända kommer Alù och hans kollegor att försöka krympa sitt metamaterial så långt som möjligt. Han säger att de för närvarande arbetar på en chip-skala version som skulle fungera vid mycket högre frekvenser - i tiotals gigahertz intervall, snarare än hundratals megahertz av deras nuvarande enhet. De kan tänkas komma till terahertz och vidare, säger han, även om de vid den tidpunkten skulle behöva använda laserpulser snarare än elektriska omkopplare.

Tidskristaller: sökandet efter en ny fas av materia

Chen Shen från Rowan University i USA, som inte var inblandad i arbetet, menar att förmågan att kontrollera radiovågsspektra skulle kunna möjliggöra tillämpningar som tidsreverserande medicinsk avbildning, temporal cloaking (en motsvarighet till rumslig cloaking) och bättre kanaluppskattning nummer i trådlös kommunikation. "Dessa demonstrationer visar att tidsmodulering kan läggas till som en ny ingrediens för vågmanipulation", säger han.

Simone Zanotto från Scuola Normale Superiore i Pisa, Italien, håller med. "Radioingenjörer kan säga att de har ett nytt instrument i sin verktygslåda", säger han. "Ett instrument vars funktionsprincip är väl förstådd och förmodligen ytterligare inställbar efter deras behov."

Forskningen är publicerad i Naturfysik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/