Блог

May 19, 2023

Это зеркало меняет то, как свет путешествует во времени

Свет может отражаться от зеркал, а звуки – от поверхностей. Однако у ученых есть

Свет может отражаться от зеркал, а звуки – от поверхностей. Однако ученые уже давно выдвинули теории об отражениях времени, когда сигнал, проходящий через временной «интерфейс», будет вести себя так, как будто он путешествует назад во времени. Теперь новое исследование впервые демонстрирует отражение времени световыми волнами. Это открытие может привести к новым, необычным способам управления светом, таким как фотонные кристаллы времени, для потенциальных применений в беспроводной связи, радиолокационных технологиях и фотонных вычислениях.

Стандартное отражение происходит, когда сигнал отражается от границы в пространстве. Напротив, временные отражения могут произойти, когда вся среда, в которой распространяется световая или звуковая волна, внезапно и радикально меняет свои оптические или звуковые свойства.

Ранее исследователи не знали способа изменить оптические свойства материала быстро, сильно и достаточно равномерно, чтобы создать фотонный временной интерфейс, который мог бы генерировать временные отражения для электромагнитных волн. Теперь, после шести десятилетий исследований, ученые создали первый такой временной интерфейс для света.

Когда световая волна попадает в новый временной интерфейс и устройство меняет свои оптические свойства, сигнал продолжает двигаться вперед в пространстве. Однако сигнал меняется на противоположный: если бы это было произнесенное слово, оно звучало бы так, как будто оно воспроизводилось задом наперед. Напротив, при обычном отражении световая или звуковая волна будет возвращаться к своему источнику, но в основном выглядеть и звучать так же, как и до отражения.

Ученые осуществили фотонные временные отражения, используя метаматериал — своего рода структуру, обладающую особенностями, обычно не встречающимися в природе, такими как способность преломлять свет неожиданным образом. Такая работа привела к созданию плащей-невидимок, которые могут скрывать объекты от света, звука, тепла и других типов волн.

Оптические метаматериалы, предназначенные для управления светом, обладают структурами с повторяющимися узорами в масштабах, меньших, чем длины волн света, на которые они влияют. В новом исследовании исследователи передали радиосигналы в извилистую полосу металла длиной около 6 метров. К этой металлической полоске был подключен массив из 30 электронных переключателей, каждый из которых был связан с конденсатором.

Когда эти переключатели в новом устройстве срабатывают одновременно, импеданс полоски удваивается примерно за 3 наносекунды. Отражение света во времени может произойти, если оптические свойства материала изменяются намного быстрее, чем изменения во времени задействованных сигналов, говорит старший автор исследования Андреа Алу, инженер-электрик из аспирантуры Городского университета Нью-Йорка.

Кроме того, новые временные интерфейсы могут растягивать или сжимать световые сигналы во времени. Это, в свою очередь, может резко изменить цвет этих сигналов, отмечает Алу.

Ученые также показали, что могут комбинировать несколько временных интерфейсов. В получившейся «временной плите» они могли заставить сигналы мешать друг другу. Это новое устройство представляет собой временную версию обычных фильтров Фабри-Перо, широко используемых в телекоммуникациях, лазерах и других приложениях для управления светом.

Исследователи предполагают, что временные интерфейсы могут найти применение в беспроводной связи, радиолокационных технологиях и оптических вычислениях. Эти приложения часто меняют порядок сигналов, чтобы облегчить их обработку. В настоящее время наиболее распространенным способом выполнения такого обращения времени являются цифровые средства, но это требует времени, энергии и памяти. Напротив, временные интерфейсы могут обеспечить обращение времени очень быстро и с небольшими затратами энергии, говорит Алу.

Более того, новые временные интерфейсы могут помочь ученым разработать новые экзотические способы управления светом, такие как «фотонные кристаллы времени». Обычный кристалл представляет собой структуру, состоящую из множества атомов, упорядоченных в пространстве, тогда как обычный фотонный кристалл обладает характеристиками, меньшими, чем длины волн света, для работы с которыми он предназначен. Ранее исследователи также разработали кристаллы времени, в которых многие частицы упорядочены в регулярные серии движений — закономерности во времени, а не в пространстве. Недавно ученые разработали фотонные кристаллы времени, оптические свойства которых регулярно меняются со временем.