Bilim adamları, kablosuz iletişim ve optik bilgi işlem için olası etkileri olan elektromanyetik dalgaların zamana yansımasını gösteren bir deney yürüttüler.
Keşif, kablosuz iletişim ve optik bilgi işlemde devrim niteliğindeki uygulamaların temellerini atıyor.
Aynaya baktığımızda, yüzümüzün bize baktığını görmeye alışkınız. Yansıtılan görüntüler, yansıtılan yüzeyden sıçrayan elektromanyetik ışık dalgaları tarafından üretilir ve uzamsal yansıma adı verilen yaygın bir fenomen yaratır. Benzer şekilde, ses dalgalarının uzamsal yansımaları, sözlerimizi söylediğimiz sırayla bize geri taşıyan yankılar oluşturur.
Bilim adamları, altmış yılı aşkın bir süredir, dalga yansımalarının farklı bir biçimini gözlemleme olasılığını öne sürdüler. zamansal veya zamansal yansımalar. Işık veya ses dalgaları uzayda belirli bir konumdaki bir ayna veya duvar gibi bir sınıra çarptığında ortaya çıkan uzaysal yansımaların aksine, zaman yansımaları, dalganın içinde hareket ettiği tüm ortamın aniden ve aniden özelliklerini değiştirdiğinde ortaya çıkar. tüm boşluk. Böyle bir olayda, dalganın bir kısmının zamanı tersine çevrilir ve frekansı yeni bir frekansa dönüştürülür.
(a) Geleneksel uzamsal yansımalar: Bir kişi, aynaya bakarlar ya da konuştuklarında yankı aynı sırayla geri gelir. (b) Zaman yansımaları: Kişi aynaya baktığında sırtını görür ve kendisini farklı renklerde görür. Yankılarını geri sarılmış bir teybe benzer şekilde ters sırayla duyarlar. Kredi: Andrea Alu
Bugüne kadar, bu fenomen elektromanyetik dalgalar için hiç gözlemlenmemişti. Bu kanıt eksikliğinin temel nedeni, bir malzemenin optik özelliklerinin zaman yansımalarına neden olacak bir hız ve büyüklükte kolayca değiştirilememesidir. Ancak şimdi, Nature Physics’te yeni yayınlanan bir makalede, CUNY Mezunlar Merkezi’ndeki (CUNY ASRC) İleri Bilim Araştırma Merkezi’ndeki araştırmacılar, uyarlanmış bir meta malzemede elektromanyetik sinyallerin zaman yansımalarını gözlemleyebildikleri çığır açan bir deneyi detaylandırıyorlar.
“Bu, sezgilere aykırı fenomenin ne kadar önce tahmin edildiği ve uzaydan yansıyan dalgalarla karşılaştırıldığında zamanın yansıttığı dalgaların ne kadar farklı davrandığı nedeniyle, bunu görmek gerçekten heyecan vericiydi,” dedi gazetenin ilgili yazarı Andrea Alù, The City University of New York Mezunlar Merkezi’nde Seçkin Fizik Profesörü ve CUNY ASRC Fotonik Girişimi’nin kurucu direktörü. “Gelişmiş bir meta malzeme tasarımı kullanarak, malzemenin özelliklerini zaman içinde hem aniden hem de büyük bir kontrastla değiştirecek koşulları fark edebildik.”
Bu başarı, geniş bant sinyallerinin önemli bir kısmının meta malzemede dolaşmasına neden oldu anında zaman tersine çevrilir ve frekans dönüştürülür. Etki, önce sinyalin son kısmının yansıtıldığı garip bir yankı oluşturur. Sonuç olarak, bir zaman aynasına bakarsanız, yansımanız ters çevrilir ve yüzünüz yerine sırtınızı görürsünüz. Bu gözlemin akustik versiyonunda, bir bandın geri sarılması sırasında yayılan sese benzer bir ses duyarsınız.
Zaman yansımalarını gerçekleştirmek için kullanılan deneysel platformun gösterimi. Bir metal şerit hattı boyunca dağıtılan bir dizi anahtarı tek tip olarak etkinleştirmek için bir kontrol sinyali (yeşil renkte) kullanılır. Anahtarların kapatılması/açılması üzerine, bu uyarlanmış meta malzemenin elektromanyetik empedansı aniden azaltılır/arttırılır ve geniş bant ileri yayılan bir sinyalin (mavi) kısmen zaman yansımasına (kırmızı) tüm frekansları dönüştürülerek neden olur. (Nature Physics’ten uyarlanmıştır.) Kredi: Andrea Alu
Araştırmacılar ayrıca, geniş bant frekans dönüşümü nedeniyle zamandan yansıyan sinyallerin süresinin uzadığını da gösterdi. Sonuç olarak, eğer ışık sinyalleri gözlerimiz tarafından görülebilseydi, tüm renkleri birdenbire değişirdi; öyle ki, kırmızı yeşile, turuncu maviye ve sarı mora dönerdi.
Hedeflerine ulaşmak için buluş, araştırmacılar tasarlanmış metamalzemeler kullandı. Geniş bant sinyalleri, yaklaşık 6 metre uzunluğunda, bir tahta üzerine basılmış ve rezervuar kapasitörlerine bağlı yoğun bir dizi elektronik anahtarla yüklenmiş kıvrımlı bir metal şeride enjekte ettiler. Daha sonra tüm anahtarlar aynı anda tetiklendi ve hat boyunca empedansı aniden ve düzgün bir şekilde ikiye katladı. Elektromanyetik özelliklerdeki bu hızlı ve büyük değişiklik, geçici bir arayüz oluşturdu ve ölçülen sinyaller, gelen sinyallerin zamanın tersine çevrilmiş bir kopyasını aslına sadık bir şekilde taşıdı.
Deney, verimli bir şekilde üreten bir zaman arayüzü gerçekleştirmenin mümkün olduğunu gösterdi. Geniş bantlı elektromanyetik dalgaların zaman değişimi ve frekans dönüşümü. Bu işlemlerin her ikisi de aşırı dalga kontrolü için yeni serbestlik dereceleri sunar. Bu başarı, kablosuz iletişimde heyecan verici uygulamaların ve küçük, düşük enerjili, dalga tabanlı bilgisayarların geliştirilmesinin önünü açabilir.
“Önceki çalışmalarda zaman yansımalarını engelleyen en önemli engel, makalenin ortak yazarı ve CUNY ASRC’de doktora sonrası araştırmacı olan Gengyu Xu, geçici bir arayüz oluşturmak için büyük miktarda enerji gerektireceğini söyledi. “Bir ortamın özelliklerini yeterince hızlı, düzgün ve yeterince kontrastla değiştirmek çok zordur, çünkü elektromanyetik sinyaller çok hızlı salınırlar. Bizim fikrimiz, ana malzemenin özelliklerini değiştirmekten kaçınmak ve bunun yerine, hızlı geçişlerle ek öğelerin aniden eklenebileceği veya çıkarılabileceği bir meta malzeme oluşturmaktı.”
“Meta malzemelerin egzotik elektromanyetik özellikleri şimdiye kadar CUNY ASRC’de ve The City College of New York’ta yüksek lisans öğrencisi olan ortak yazar Shixiong Yin, birçok uzamsal arayüzü akıllı yollarla birleştirerek tasarlandı. “Deneyimiz, karışıma zaman arayüzleri eklemenin, dalgaları manipüle etmek için serbestlik derecelerini genişletmenin mümkün olduğunu gösteriyor. Ayrıca, elektromanyetik sinyaller için yeni bir filtreleme teknolojisi biçimini gerçekleştirmek için kullanılabilen bir rezonans boşluğunun zaman versiyonunu da oluşturabildik.”
Kullanılan metamalzeme platformu, çoklu zaman arayüzlerini güçlü bir şekilde birleştirerek, elektromanyetik zaman kristalleri ve zaman metamalzemeleri. Uyarlanmış uzamsal arayüzlerle birleştiğinde keşif, fotonik teknolojiler için yeni yönler açma potansiyeli ve dalga-madde etkileşimlerini geliştirmek ve manipüle etmek için yeni yollar sunuyor.
Referans: “Fotonikte zamansal yansıma ve geniş bant frekans çevirisinin gözlemlenmesi time interfaces” yazan Hady Moussa, Gengyu Xu, Shixiong Yin, Emanuele Galiffi, Younes Ra’di ve Andrea Alù, 13 Mart 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-01975-y{17 }
Bu araştırma, Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi ve Simons Vakfı tarafından kısmen desteklenmiştir.