#НКП_наука #ЭлектромагнитныеВолны #Эксперимент
Ученые центра перспективных научных исследований, GC / CUNY продемонстрировали отражение электромагнитных волн во времени в новаторском эксперименте.
Когда мы смотрим в зеркало, мы привыкли видеть наши лица, смотрящие на нас. Отраженные изображения создаются электромагнитными световыми волнами, отражающимися от зеркальной поверхности, создавая распространенное явление, называемое пространственным отражением. Аналогичным образом, пространственные отражения звуковых волн формируют эхо, которое возвращает нам наши слова в том же порядке, в котором мы их произносили.
Когда мы смотримся в зеркало, мы видим собственные отражения, созданные электромагнитными световыми волнами, отраженными от поверхности зеркала. Пространственные отражения звука создают эффект эха. Более 60 лет физики рассуждали о возможности наблюдения за другими формами отражения волн — темпоральными или временными. В отличие от пространственных, они возникают, когда вся среда, в которой движется волна, внезапно и резко меняет свои свойства. Тогда для части волны происходит обращение времени, и ее частота преобразуется в новую частоту.
До настоящего времени это явление никогда не наблюдалось для электромагнитных волн. Основная причина отсутствия доказательств заключается в том, что оптические свойства материала не могут быть легко изменены со скоростью и величиной, которые вызывают временные отражения. Однако теперь, в недавно опубликованной статье в Nature Physics, исследователи из Исследовательского центра передовых наук при CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) подробно описывают прорывной эксперимент, в котором они смогли наблюдать временные отражения электромагнитных сигналов в специально созданном метаматериале.
"Это было действительно интересно наблюдать, потому что давно было предсказано это парадоксальное явление и то, как ведут себя волны, отраженные во времени, по сравнению с отраженными в пространстве", - сказал автор статьи Андреа Алу, заслуженный профессор физики университета Нью-Йоркской аспирантуры и ведущий руководитель CUNY ASRC Photonics Initiative.
"Используя сложную конструкцию метаматериала, мы смогли реализовать условия для изменения свойств материала во времени с большим контрастом".
Этот прорывной опыт привел к тому, что значительная часть широкополосных сигналов, проходящих в метаматериале, мгновенно обратилась вспять во времени и преобразовала частоту. Эффект формирует странное эхо, в котором сначала отражается последняя часть сигнала. В результате, если вы посмотрите в зеркало времени, ваше отражение будет перевернуто, и вы увидите свою спину вместо лица. В акустической версии этого наблюдения вы услышали бы звук, подобный тому, который издается во время перемотки ленты.
Исследователи также продемонстрировали, что длительность отраженных во времени сигналов растягивалась во времени из-за широкополосного преобразования частоты. В результате, если бы световые сигналы были видны нашим глазам, все их цвета резко изменились бы, так что красный стал бы зеленым, оранжевый превратился бы в синий, а желтый стал бы фиолетовым.
Для эксперимента исследователи использовали инженерные метаматериалы. Они ввели широкополосные сигналы в извилистую металлическую полоску длиной около 6 метров, напечатанную на плате и снабженную плотным набором электронных переключателей, подключенных к накопительным конденсаторам. Затем все переключатели сработали одновременно, мгновенно и равномерно удвоив сопротивление вдоль линии. Резкое и значительное по величине изменение электромагнитных свойств привело к созданию временного интерфейса, и измеренные сигналы достоверно передавали обращенную во времени копию входящих сигналов.
Эксперимент продемонстрировал, что можно реализовать интерфейс времени, обеспечивающий эффективное обращение времени и преобразование частоты широкополосных электромагнитных волн. Обе эти операции предлагают новые степени свободы для экстремального управления волнами. Это достижение может проложить путь к захватывающим приложениям в области беспроводной связи и для разработки небольших, низкоэнергетических волновых компьютеров.
"Ключевым препятствием, которое препятствовало отражению во времени в предыдущих исследованиях, было убеждение, что для создания временного интерфейса потребуется большое количество энергии", - сказал Генгю Сюй, соавтор статьи и постдокторант в CUNY ASRC. "Очень сложно изменить свойства среды достаточно быстро, равномерно и с достаточным контрастом, чтобы электромагнитные сигналы отражались во времени, потому что они колеблются очень быстро. Наша идея заключалась в том, чтобы избежать изменения свойств основного материала и вместо этого создать метаматериал, в котором дополнительные элементы могут быть внезапно добавлены или удалены с помощью быстрых переключателей ".
"Экзотические электромагнитные свойства метаматериалов до сих пор разрабатывались путем разумного сочетания множества пространственных интерфейсов", - добавил соавтор исследования Шисюн Инь, аспирант CUNY ASRC и Городского колледжа Нью-Йорка. "Наш эксперимент показывает, что можно добавить временные интерфейсы в смесь, расширяя степени свободы для управления волнами. Мы также смогли создать временную версию резонатора, который может быть использован для реализации новой технологии фильтрации электромагнитных сигналов ".
Представленная платформа metamaterial может эффективно комбинировать несколько временных интерфейсов, позволяя создавать электромагнитные кристаллы времени и метаматериалы времени. В сочетании с адаптированными пространственными интерфейсами открытие открывает новые направления для фотонных технологий, а также новые способы усиления и управления взаимодействиями волны и материи.
Это исследование было частично поддержано Управлением научных исследований ВВС и Фондом Саймонса.
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230313120947.htm