นักฟิสิกส์ทำการวัด 'การสะท้อนเวลา' ในไมโครเวฟเป็นครั้งแรก

นักฟิสิกส์ทำการวัด 'การสะท้อนเวลา' ในไมโครเวฟเป็นครั้งแรก

ประทับเวลา: 17 มีนาคม 2023 7:45 น

การตั้งค่าสำหรับการสาธิตการสะท้อนเวลา
บนภาพสะท้อน: ภาพประกอบของแท่นทดลองที่ใช้ในการตระหนักถึงการสะท้อนเวลา (เอื้อเฟื้อ: Andrea Alù)

นักฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริกา ได้สังเกตเห็นผลกระทบ เรียกว่าการสะท้อนเวลาด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นครั้งแรก พวกเขาตรวจพบปรากฏการณ์นี้ ซึ่งเป็นเสมือนการสะท้อนเชิงพื้นที่ที่คุ้นเคยโดยการสลับชุดของตัวเก็บประจุอย่างรวดเร็วในวัสดุ metamaterial ประเภทใหม่ พวกเขากล่าวว่าผลลัพธ์ที่ได้สามารถปรับปรุงการสื่อสารไร้สายและช่วยนำมาซึ่งการประมวลผลด้วยแสงที่เป็นที่ต้องการมาอย่างยาวนาน

การสะท้อนทุกวันเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของเวฟแพ็กเก็ตเมื่อพบอินเทอร์เฟซในพื้นที่ว่างที่แตกต่างกัน กระบวนการนี้รักษาลำดับชั่วคราว เพื่อให้ส่วนนำของคลื่นตกกระทบยังคงอยู่ข้างหน้าหลังจากการสะท้อนกลับ ซึ่งหมายความว่าวัตถุที่อยู่ไกลจากกระจกจะมองเห็นได้ไกลกว่าในการสะท้อน ขณะที่เสียงสะท้อนจะกลับมาตามลำดับที่เปล่งออกมา

การสะท้อนเวลากลับเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของเวฟแพ็กเก็ตอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของเวลาที่ใช้อย่างเท่าเทียมกันทั่วทั้งตัวกลางที่เคลื่อนที่ผ่าน กล่าวอีกนัยหนึ่ง เนื้อหาที่เป็นปัญหามีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติอย่างกะทันหัน สิ่งนี้ทำให้คลื่นเปลี่ยนทิศทางโดยที่ขอบท้ายของมันก่อนที่จะมีการสะท้อนกลับอยู่ที่ด้านหน้า วัตถุที่อยู่ใกล้กระจกในโลกแห่งความเป็นจริงจะดูห่างไกลออกไปในการสะท้อน ในขณะที่เสียงสะท้อนสุดท้ายที่เปล่งออกมาจะกลายเป็นเสียงแรกที่กลับมา

กระบวนการทั้งสองรักษาปริมาณที่แตกต่างกัน คลื่นที่กระเด็นออกจากวัตถุจะส่งโมเมนตัมไปยังวัตถุนั้นในขณะที่รักษาความถี่ไว้ ในทางตรงกันข้าม คลื่นที่สะท้อนกลับในเวลาจะต้องคงไว้ซึ่งโมเมนตัม ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความเร็วที่มันแกว่ง (ความถี่ของมัน) กล่าวอีกนัยหนึ่ง คลื่นที่สะท้อนกลับจะคงรูปร่างไว้แต่ถูกยืดออกไปตามกาลเวลา

จนถึงปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเพียงการสะท้อนชั่วขณะในคลื่นน้ำเท่านั้น การมองเห็นสิ่งเดียวกันในรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามีความซับซ้อนเนื่องจากความถี่สูงของคลื่น เคล็ดลับเกี่ยวข้องกับความสามารถในการเปลี่ยนดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุอย่างสม่ำเสมอด้วยความเร็วสูงเพียงพอ โดยใช้เวลาน้อยกว่าช่วงคลื่นมาก และมีความเปรียบต่างมากพอที่จะสร้างเอฟเฟกต์ที่วัดได้

เวลาที่จะสะท้อน

แอนเดรีย อลู และเพื่อนร่วมงานที่ City University of New York ประสบความสำเร็จในการทำเช่นนั้นด้วยการสร้าง metamaterial ชนิดใหม่ Metamaterials มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่โดดเด่น ต้องขอบคุณโครงสร้างทางวิศวกรรมขนาดเล็กจำนวนมากที่จัดวางอย่างแม่นยำ

วัสดุที่เป็นปัญหาประกอบด้วยแถบโลหะยาว 6 ม. ทำหน้าที่เป็นท่อนำคลื่นไมโครเวฟที่เลื่อนไปมา 20 ครั้งเพื่อสร้างอุปกรณ์ขนาด 30 ซม.2. วงจรตัวเก็บประจุสามสิบวงจรวางอยู่เป็นระยะ ๆ ตามความยาวของแถบ แต่แยกออกจากกันด้วยสวิตช์ แนวคิดคือการฉีดพัลส์คลื่นไมโครเวฟเป็นขบวน แล้วเปิดหรือปิดวงจรทั้งหมดพร้อมกันในขณะที่พัลส์กำลังเคลื่อนที่ไปตามแถบ ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในดัชนีการหักเหของแสงและอิมพีแดนซ์ที่มีประสิทธิภาพของวัสดุเมตา การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันนั้นสะท้อนสัญญาณไมโครเวฟชั่วขณะ

Alù และเพื่อนร่วมงานสามารถเพิ่มดัชนีการหักเหของแสงเป็นสองเท่า (หรือลดลงครึ่งหนึ่ง) โดยใช้เวลาน้อยกว่าการใช้คลื่นเพื่อสร้างการแกว่งเพียงครั้งเดียว เนื่องจากวงจรสวิตชิ่งของพวกเขาทำการลัดผ่านท่อนำคลื่นที่มีคลื่นรบกวน การฉีดสัญญาณที่ประกอบด้วยพีคที่แรงไม่เท่ากัน XNUMX พีค จากนั้นเชื่อมต่อวงจรคาปาซิทีฟ พวกเขาพบว่าสัญญาณส่วนหนึ่งกลับมาที่พอร์ตอินพุตโดยพีคจะเรียงกลับกันและยืดออกตามเวลา อย่างที่คาดไว้ชั่วขณะ - คลื่นสะท้อน สัญญาณที่เหลือกลับไปที่พอร์ตแทนโดยมีจุดสูงสุดทั้งสองตามลำดับเดิม โดยสะท้อนเชิงพื้นที่ออกจากปลายสุดของวัสดุ metamaterial

จากข้อมูลของ Alù ธรรมชาติของอะนาล็อกของกลไกการย้อนเวลานี้อาจนำไปสู่การใช้งานจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น เขากล่าวว่าอาจใช้เพื่อต่อสู้กับความผิดเพี้ยนของช่องสัญญาณข้อมูลไร้สาย การบิดเบือนดังกล่าวมักถูกประเมินโดยสถานีรับสัญญาณที่ส่งสัญญาณที่รู้จักกลับไปยังเครื่องส่งสัญญาณโดยกลับด้านโปรไฟล์ชั่วขณะ แต่สิ่งนี้มักจะเกี่ยวข้องกับการแปลงสัญญาณเป็นดิจิทัล ด้วยการสะท้อนเวลาแทนที่จะเป็นอะนาล็อกทั้งหมด เขากล่าวว่าการใช้สิ่งเหล่านี้สามารถประหยัดเวลา พลังงาน และหน่วยความจำ

วิศวกรวิทยุอาจบอกว่ามีเครื่องมือใหม่อยู่ในกล่องเครื่องมือ

ซิโมน ซานอตโต้

เขากล่าวว่าในระยะยาว โครงร่างนี้อาจนำไปใช้ในคอมพิวเตอร์ออปติคัลแบบแอนะล็อกรุ่นใหม่ ในขณะที่เขาชี้ให้เห็น เวลาและพลังงานถูกเสียสละในคอมพิวเตอร์ปัจจุบัน อันเป็นผลจากการแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาล็อกเป็นและจากโดเมนดิจิทัล แต่กลับกลายเป็นว่าการดำเนินการแบบอะนาล็อกประเภทหนึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลสัญญาณและการคำนวณคือการผันเฟส – การแปลงที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นผ่านการสะท้อนเวลา

ก่อนที่สิ่งนี้จะเกิดขึ้น Alù และเพื่อนร่วมงานของเขาจะพยายามลดขนาด metamaterials ลงให้มากที่สุด เขากล่าวว่าขณะนี้พวกเขากำลังทำงานบนเวอร์ชันขนาดชิปที่จะทำงานที่ความถี่สูงกว่ามาก – ในช่วงหลายสิบกิกะเฮิรตซ์ แทนที่จะเป็นหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ของอุปกรณ์ปัจจุบัน พวกเขาอาจจะไปถึงเทอร์เฮิร์ตซ์และไกลกว่านั้น เขากล่าว แม้ว่า ณ จุดนั้นพวกเขาจะต้องใช้เลเซอร์พัลส์มากกว่าสวิตช์ไฟฟ้า

เฉินเซิน จากมหาวิทยาลัย Rowan ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้ คิดว่าความสามารถในการควบคุมสเปกตรัมของคลื่นวิทยุสามารถเปิดใช้งานแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การสร้างภาพทางการแพทย์แบบย้อนเวลา การปิดบังชั่วคราว ตัวเลขในการสื่อสารไร้สาย “การสาธิตเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการมอดูเลตเวลาสามารถเพิ่มเป็นส่วนผสมใหม่สำหรับการจัดการคลื่นได้” เขากล่าว

ซิโมน ซานอตโต้ ของ Scuola Normale Superiore ในเมืองปิซา ประเทศอิตาลี เห็นด้วย “วิศวกรวิทยุอาจบอกว่าพวกเขามีเครื่องมือใหม่อยู่ในกล่องเครื่องมือ” เขากล่าว “เครื่องมือที่เข้าใจหลักการทำงานเป็นอย่างดีและอาจปรับแต่งเพิ่มเติมได้ตามความต้องการ”

การวิจัยถูกตีพิมพ์ลงที่ ฟิสิกส์ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์