Każdy człowiek w ciągu swojego życia patrzy w lustro miliony razy. Efekt zawsze jest ten sam – wrażenie, że nasze odbicie patrzy dokładnie na nas. To efekt jednego z najbardziej elementarnych procesów fizycznych, gdy dochodzi do zmiany kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków i pozostania jej w ośrodku, w którym się rozchodzi. Dotyczy to fal, czyli zarówno światła, jak i dźwięku, ale 60 lat temu pojawiły się sugestie, że może istnieć coś takiego jak odbicie czasowe.
Czytaj też: Czasoprzestrzeń płaska czy zakrzywiona? Można to odtworzyć w laboratorium
W przeciwieństwie do odbicia przestrzennego (światła lub dźwięku), odbicia czasowe powstają, gdy cały ośrodek, w którym porusza się fala, nagle i gwałtownie zmienia swoje właściwości w przestrzeni. To prowadzi do odwrócenia fali w czasie, a jej częstotliwość zostaje zamieniona na nowo. Do tej pory nigdy nie zaobserwowano tego zjawiska dla fal elektromagnetycznych – aż do teraz. Naukowcy z Advanced Science Research Center w CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) przeprowadzili przełomowy eksperyment, w którym zaobserwowali odbicia czasowe fal elektromagnetycznych w metamateriale. Szczegóły opisano w Nature Physics.
Obserwacja tego zjawiska była naprawdę ekscytująca, ze względu na to, jak dawno temu przewidziano je i jak inaczej zachowują się fale odbite w czasie w porównaniu z falami odbitymi w przestrzeni. Używając wyrafinowanej konstrukcji metamateriału, byliśmy w stanie zrealizować warunki do zmiany właściwości materiału w czasie zarówno gwałtownie, jak i z dużym kontrastem. Prof. Andrea Alù z CUNY ASRC
Czas odbity – do czego się przyda?
Odbicia czasowe, mimo iż mogą brzmieć nieintuicyjnie, mogą okazać się przydatne w komunikacji przyszłości. Podczas obserwacji tego zjawiska wykryto dziwne echo, w którym ostatnia część sygnału jest odbijana jako pierwsza – gdyby porównać to do spoglądania w lustro, w miejscu twarzy mielibyśmy plecy. W akustycznej wersji tej obserwacji usłyszelibyśmy dźwięk podobny do tego, jaki powstaje podczas przewijania taśmy.
Czytaj też: Światło wykorzystane do łączenia cząsteczek. To może być początek nowej chemii
Do osiągnięcia odbicia czasowego, fizycy wykorzystali zmodyfikowane metamateriały. Szerokopasmowe sygnały zostały wpuszczone do paska metalu o długości ok. 6 m, który wydrukowano na płytce i obciążono szeregiem przełączników połączonych kondensatorami. W pewnym momencie wszystkie je unieruchomiono w tym samym czasie, równomiernie podwajając impedancję (zależność między natężeniem prądu i napięciem w obwodach prądu zmiennego), co doprowadziło do odbicia czasowego.
W eksperymencie wykazano, że można stworzyć interfejs czasowy, pozwalający na transformację fal elektromagnetycznych. Osiągnięcie to ma ogromny potencjał – może otworzyć drzwi do komunikacji bezprzewodowej nowej generacji oraz rozwoju komputerów falowych.
Kluczową blokadą, która uniemożliwiała odbicia czasowe w poprzednich badaniach, było przekonanie, że stworzenie interfejsu czasowego wymagałoby dużych ilości energii. Bardzo trudno jest zmienić właściwości medium wystarczająco szybko, jednolicie i z wystarczającym kontrastem, aby czasowo odzwierciedlić sygnały elektromagnetyczne, ponieważ oscylują one bardzo szybko. Naszym pomysłem było stworzenie metamateriału, w którym dodatkowe elementy mogą być gwałtownie dodawane lub odejmowane poprzez szybkie przełączniki. Dr Gengyu Xu z CUNY ASRC
Naukowcy mają nadzieję, że odkrycie to umożliwi zupełnie nowe kierunki rozwoju technologii fotonicznych oraz sposobów na wzmocnienie i manipulowanie interakcjami fala-materia.
