Прорыв в фотонных технологиях — физики наблюдали отражение электромагнитных сигналов во времени

В новом исследовании ученые из Центра перспективных научных исследований Городского университета Нью-Йорка (CUNY ASRC) подробно описывают прорывной эксперимент, в котором они смогли наблюдать временные отражения электромагнитных сигналов в специальном метаматериале.

Столкновение света с поверхностью зеркала — процесс для нас естественный. Световые волны отражаются от зеркальной поверхности. формируя изображение, и отправляются в новое путешествие по пространству.

Более шести десятилетий физики размышляли о возможности наблюдения аналогичных временных отражений. Авторы нового исследования в Nature Physics наконец-то воплотили теорию в жизнь, получив первое экспериментальное свидетельство манипулирования временными отражениями в электромагнитном спектре.

Ранее уже проводились опыты с эквивалентами в акустике и магнетизме, а также ограниченное исследование узких частот электромагнитного временного отражения с использованием компьютерной системы. Но для электромагнитных волн явление никогда не наблюдалось — дело в том, что оптические свойства материала невозможно быстро поменять с той скоростью и параметрами, которые вызывают временные отражения. Кроме того, предыдущие исследования показывали, что для создания временного интерфейса нужно огромное количество энергии.

Авторам нового исследования удалось реализовать условия для изменения свойств материала во времени как резко, так и с большим контрастом, используя сложную конструкцию метаматериала. Конденсаторы разрядились одновременно, быстро меняя импеданс метаматериала по мере прохождения сигнала. Метаматериалы не имеют аналогов в мире природы, поскольку они созданы с уникальными свойствами для конкретной цели, поэтому они подходят для различных структурных, акустических и оптических нужд.

В результате сформировалось нечетное эхо, где последняя часть сигнала отражается как первая. Например, в таком случае, если бы вы смотрели в зеркало времени, то изображение показало бы вам вашу спину, а не лицо. Акустический эквивалент этого наблюдения — это звук, похожий на тот, который возникает при перемотке ленты.

Исследователи также продемонстрировали, что широкополосное преобразование частоты приводит к увеличению продолжительности отраженных во времени сигналов. Так, в том же зеркале времени все оттенки световых сигналов резко изменялись бы, если бы мы могли их видеть.

Авторы работы разместили плотный массив электрических переключателей, соединенных с накопительными конденсаторами, на плате — металлической полосе длиной около 6 метров, и направляли на нее широкополосные сигналы.

Затем они одновременно активировали все переключатели — импеданс вдоль полосы резко и равномерно удвоился. Это позволило создать нужный временной интерфейс — сигналы точно представляли собой обращенную во времени копию входящих сигналов.

Эксперимент доказал, что можно создать временной интерфейс, успешно обратив время вспять и изменив частоту широкополосных электромагнитных волн. Исследование в будущем может стать основой для инновационных применений беспроводной связи и создания компактных, маломощных компьютеров на основе волн.