Фізики вперше в історії виміряли «відбиття часу» в мікрохвилях

Фізики в США спостерігали ефект вперше відомий як відображення часу в електромагнітній хвилі. Вони виявили явище – часовий аналог знайомого просторового відображення – шляхом швидкого перемикання серії конденсаторів у новому типі метаматеріалу. Вони кажуть, що результат може покращити бездротовий зв’язок і, зрештою, сприятиме появі довгоочікуваних оптичних обчислень.

Повсякденне відображення передбачає перетворення хвильового пакета, коли він зустрічається з інтерфейсом в окремій області простору. Процес зберігає часове впорядкування, так що провідна частина падаючої хвилі залишається попереду після відбиття. Це означає, що об’єкти, розташовані далі від дзеркала, виглядають більш віддаленими у відображенні, тоді як звуки в луні повертаються в тому ж порядку, в якому вони були видані.

Натомість відображення часу передбачає перетворення хвильового пакета в результаті різкої зміни часу, яке однаково поширюється на все середовище, через яке він проходить. Іншими словами, матеріал, про який йде мова, раптово змінює свої властивості. Це змушує хвилю змінювати напрямок так, що її задній фронт до відбиття тепер знаходиться на передній частині. Об’єкти, які знаходяться ближче до дзеркала в реальному світі, виглядатимуть далі у відображенні, тоді як для відлуння останній виданий звук стане першим, який повернеться назад.

Ці два процеси зберігають різні кількості. Хвиля, що відбивається від об’єкта, передає цьому об’єкту імпульс, а його частота зберігається. Навпаки, хвиля, відбита в часі, повинна зберігати імпульс, викликаючи зміну швидкості, з якою вона коливається (її частоти). Іншими словами, відбита хвиля зберігає свою форму, але розтягується в часі.

На сьогоднішній день вчені спостерігали лише такі часові відображення у водних хвилях. Побачити те ж саме в електромагнітному випромінюванні ускладнюється високою частотою хвиль. Хитрість полягає в тому, що можна рівномірно змінювати показник заломлення матеріалу з досить високою швидкістю – займаючи набагато менше часу, ніж період хвилі – і з достатньо великим контрастом, щоб створити вимірний ефект.

Час подумати

Андреа Алу і колеги з Міського університету Нью-Йорка тепер досягли успіху в цьому, розробивши новий вид метаматеріалу. Метаматеріали мають вражаючі електромагнітні властивості завдяки великій кількості крихітних, точно організованих інженерних структур.

Матеріал, про який йде мова, складається з металевої смужки довжиною 6 метрів, яка служить мікрохвильовим хвилеводом, який зміюється вперед і назад 20 разів, утворюючи пристрій приблизно 30 см.². Тридцять ємнісних ланцюгів розташовані через рівні проміжки вздовж смуги, але відокремлені від неї перемикачами. Ідея полягає в тому, щоб ввести серію мікрохвильових імпульсів, а потім увімкнути або вимкнути всі схеми одночасно, поки імпульси проходять вздовж смуги, викликаючи раптову зміну ефективного показника заломлення та імпедансу метаматеріалу. Ця раптова зміна тимчасово відображає мікрохвильовий сигнал.

Алу та його колеги змогли подвоїти (або вдвічі) показник заломлення за набагато менший час, ніж хвилі, щоб завершити одне коливання, завдяки їхній схемі перемикання, яка скоротила звивистий хвилевід. Вводячи сигнал, що складається з двох неоднаково сильних піків, а потім з’єднуючи ємнісні схеми, вони виявили, що частина сигналу повертається до вхідного порту з піками у зворотному порядку та розтягується в часі – як і очікувалося на деякий час. -відбита хвиля. Натомість решта сигналу повернулася до порту з двома піками в їх початковому порядку, просторово відбившись від дальнього кінця метаматеріалу.

За словами Алу, аналогічний характер цього механізму реверсування часу може призвести до ряду застосувань. Наприклад, за його словами, його можна використовувати для боротьби зі спотвореннями в бездротовому каналі передачі даних. Таке спотворення часто оцінюється приймальною станцією, яка надсилає відомі сигнали на передавач із зміненими часовими профілями. Але зазвичай це передбачає оцифрування сигналів. Оскільки відображення часу є цілком аналоговими, він каже, що їх використання може заощадити час, енергію та пам’ять.

Радіоінженери можуть сказати, що в їх наборі з інструментами є новий інструмент

Сімоне Занотто

У довгостроковій перспективі, за його словами, схема може знайти застосування в новому поколінні аналогових оптичних комп’ютерів. Як він зазначає, час і енергія приносяться в жертву сучасних комп’ютерів через необхідність перетворювати аналогові електричні сигнали в цифрову область і з неї. Але виявилося, що одним із типів аналогових операцій, особливо корисних для обробки сигналів і обчислень, є спряження фази – перетворення, яке відбувається, коли хвилі піддаються часовому відображенню.

Перш ніж це станеться, Алу та його колеги спробують максимально зменшити свій метаматеріал. Він каже, що наразі вони працюють над версією чіпа, яка працюватиме на набагато вищих частотах – у діапазоні десятків гігагерц, а не сотень мегагерц їхнього поточного пристрою. Імовірно, вони можуть досягти терагерців і далі, каже він, хоча в цей момент їм доведеться використовувати лазерні імпульси, а не електричні вимикачі.

Кристали часу: пошук нової фази матерії

Чень Шень Університету Роуена в США, який не брав участі в роботі, вважає, що здатність контролювати спектри радіохвиль могла б уможливити такі програми, як медичне зображення з реверсом у часі, часове маскування (аналог просторового маскування) і кращий канал оцінки номери в бездротовому зв'язку. «Ці демонстрації показують, що часова модуляція може бути додана як новий інгредієнт для маніпулювання хвилями», — говорить він.

Сімоне Занотто з Scuola Normale Superiore в Пізі, Італія, погоджується. «Радіоінженери можуть сказати, що в їхньому наборі інструментів є новий інструмент», — каже він. «Прилад, принцип роботи якого добре зрозумілий і, ймовірно, надалі налаштовується відповідно до їхніх потреб».

Дослідження опубліковано в Фізика природи.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/