Перше спостереження “відбивання в часі” для мікрохвиль
Перше спостереження “відбивання в часі” для мікрохвиль
Звичайне відбивання перетворює хвильовий пакет, коли він зустрічається з інтерфейсом в деякій області простору. При цьому зберігається часове впорядкування: передня частина падаючої хвилі залишається попереду і після відбивання.
Натомість відбивання в часі перетворює хвильовий пакет внаслідок різкої зміни часу, яка однаково поширюється на все середовище, де такий хвильовий пакет проходить. Іншими словами, матеріал раптово змінює свої властивості. Це змушує хвилю змінювати напрямок так, що її задній фронт до відбивання тепер знаходиться попереду.
Принципова відмінність відбивання в часі і в просторі полягає в тому, що в цих двох процесах виконуються закони збереження для різних величин. Хвиля, що відбивається від об’єкта, передає цьому об’єкту імпульс, а його частота зберігається. Навпаки, хвиля, відбита в часі, повинна зберігати імпульс, викликаючи зміну швидкості, з якою вона коливається (її частоти). Іншими словами, відбита хвиля зберігає свою форму, але розтягується в часі.
Досі такі відбивання в часі спостерігали лише для хвиль у воді. Побачити те ж саме в електромагнітному випромінюванні складно через високу частоту таких хвиль. Хитрість полягає в тому, що можна рівномірно змінювати показник заломлення матеріалу з досить високою швидкістю – це займає набагато менше часу, ніж період хвилі – і з достатньо великим контрастом, щоб створити помітний ефект.
Матеріал (точніше, метаматеріал), про який йде мова в цій роботі, складався з металевої смужки довжиною 6 метрів, яка служила хвилеводом для мікрохвильового випромінювання. Цей хвилевід складений “змійкою” 20 разів і займає площу близько 30 см2. Тридцять ємностей розташовані через рівні проміжки вздовж цієї смужки-хвилевода, але відокремлені від неї перемикачами. Ідея полягала в тому, щоб ввести серію мікрохвильових імпульсів, а потім приєднати або від’єднати всі ємності одночасно, поки мікрохвильові імпульси поширюються вздовж смужки-хвилевода. Така зміна ємності викликає раптову зміну ефективного показника заломлення та імпедансу метаматеріалу. Ця раптова зміна спричинює відбивання мікрохвильового сигналу в часі.
Сигнал на вході в хвилевід складався з двох піків різної амплітуди. Коли різко змінили ємність, то виявили, що частина сигналу повернулась на вхід з піками у зворотному порядку та розтягнулась в часі – як і очікувалося для відбитої в часі хвилі. Натомість решта сигналу повернулась на вхід з двома піками в їх початковому порядку, просторово відбившись від дальнього кінця хвилеводу.
Ефект може бути корисним для боротьби зі спотвореннями в бездротовому каналі передачі даних, для нового покоління аналогових оптичних комп’ютерів, для фазового спряження сигналів.
Зараз дослідники намагаються зменшити свій метаматеріал і перейти на вищі частоти сигналів. Імовірно, вони можуть досягти терагерців і вище, але для цього вже знадобляться лазери, а не електричні перемикачі.
Робота опублікована в журналі Nature Physics:
Moussa, H., Xu, G., Yin, S. et al. Observation of temporal reflection and broadband frequency translation at photonic time interfaces. Nat. Phys. (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-01975-y
PDF-файл доступний на arXiv: https://arxiv.org/abs/2208.07236
Огляд статті на PhysicsWorld: https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwave...
