物理学家首次测量微波中的“时间反射”

美国的物理学家 观察到效果 第一次被称为电磁波中的时间反射。 他们通过快速切换新型超材料中的一系列电容器来检测这种现象——熟悉的空间反射的时间对应物。 他们表示，这一结果可能会改善无线通信，并最终有助于实现人们期待已久的光学计算。

日常反射涉及波包在不同空间区域遇到界面时的转换。 该过程保留了时间顺序，因此入射波的前导部分在反射后保持领先。 这意味着离镜子越远的物体在反射中看起来越远，而回声中的声音按照它们发出的顺序返回。

相反，时间反射涉及波包由于时间的突然变化而被转换，这种变化同样适用于它正在穿越的整个介质。 换句话说，所讨论的材料的特性会突然发生变化。 这会导致波改变方向，使其反射前的后缘现在位于前方。 现实世界中靠近镜子的物体会在反射中看得更远，而对于回声，最后发出的声音将成为第一个返回的声音。

这两个过程保存不同的数量。 从物体反弹的波将动量传递给该物体，同时其频率是守恒的。 相反，及时反射的波必须保持动量，导致其振荡速度（其频率）发生变化。 换句话说，反射波保持其形状但在时间上被拉长了。

迄今为止，科学家们只在水波中观察到这种时间反射。 在电磁辐射中看到同样的东西由于波的高频而变得复杂。 诀窍在于能够以足够高的速度均匀地切换材料的折射率——所花费的时间比波周期少得多——并且具有足够大的对比度以产生可测量的效果。

是时候反思了

安德烈阿卢 纽约城市大学的同事现在已经通过设计一种新型超材料成功地做到了这一点。 超材料具有惊人的电磁特性，这要归功于它们大量的微小、精确排列的工程结构。

所讨论的材料由一条 6 米长的金属条组成，用作微波波导，来回蜿蜒 20 次，形成一个约 30 厘米长的装置². 三十个电容电路沿着条带的长度以规则的间隔放置，但通过开关与它分开。 这个想法是注入一串微波脉冲，然后在脉冲沿条带传输时同时打开或关闭所有电路——导致超材料的有效折射率和阻抗突然变化。 这种突然的变化在时间上反映了微波信号。

Alù 及其同事能够在比波完成一次振荡所需的时间短得多的时间内将折射率加倍（或减半），这要归功于他们的开关电路在蜿蜒的波导上采取了捷径。 注入由两个强度不等的峰值组成的信号，然后连接电容电路，他们发现部分信号以相反的顺序返回到输入端口，并及时拉长——正如预期的那样-反射波。 信号的其余部分返回到端口，两个峰值按其原始顺序，在空间上反射了超材料的远端。

根据 Alù 的说法，这种时间逆转机制的模拟性质可能会导致许多应用。 例如，他说，它可能用于消除无线数据通道中的失真。 这种失真通常是通过接收站向发射机发回已知信号并反转其时间分布来估计的。 但这通常涉及将信号数字化。 由于时间反射完全是模拟的，他说它们的使用可以节省时间、精力和记忆。

无线电工程师可能会说他们的工具箱里有一种新仪器

西蒙·扎诺托

他说，从长远来看，该方案可能会在新一代模拟光学计算机中得到应用。 正如他指出的那样，由于必须将模拟电信号与数字域相互转换，因此当前的计算机会牺牲时间和精力。 但事实证明，一种对信号处理和计算特别有用的模拟运算是相位共轭——当波经历时间反射时发生的变换。

在此之前，Alù 和他的同事们将尝试尽可能地缩小他们的超材料。 他说，他们目前正在开发一种芯片级版本，该版本将以更高的频率运行——在几十千兆赫范围内，而不是他们当前设备的数百兆赫兹。 他说，他们可能会达到太赫兹甚至更高的频率，尽管那时他们将不得不使用激光脉冲而不是电子开关。

时间晶体：寻找物质的新阶段

陈深 美国罗文大学的一位未参与这项工作的人认为，控制无线电波频谱的能力可以实现时间反转医学成像、时间隐身（空间隐身的对应物）和更好地估计信道等应用无线通信中的数字。 “这些演示表明，时间调制可以作为波操纵的新成分添加，”他说。

西蒙·扎诺托 意大利比萨的 Scuola Normale Superiore 对此表示赞同。 “无线电工程师可能会说他们的工具箱里有一种新仪器，”他说。 “一种操作原理已被充分理解并可能根据他们的需要进一步调整的仪器。”

研究发表在 自然物理学.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/