科学家证明电磁波的时间反射
发布时间：2023-03-14 08:00:00 阅读数： 790
当我们照镜子的时候，我们习惯于看到自己的脸在后面看着我们。反射的图像是由电磁光波在镜面上反弹产生的，形成了一种叫做空间反射的常见现象。同样地，声波的空间反射形成回声，将我们的话按照我们说话的顺序传回给我们。
六十多年来，科学家们一直假设有可能观察到一种不同形式的波反射，即所谓的时间性反射。与空间反射不同的是，空间反射是当光或声波在空间的某一特定位置撞到一个边界（如镜子或墙壁）时产生的，而时间反射则是当波在其中传播的整个介质突然在所有空间中突然改变其属性时产生的。在这样的事件中，波的一部分在时间上被逆转，其频率被转换为一个新的频率。
到目前为止，这种现象从未被观察到用于电磁波。这种缺乏证据的根本原因是，材料的光学特性不能轻易地以诱发时间反射的速度和幅度来改变。然而，现在，在《自然-物理学》新发表的一篇论文中，纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心（CUNY ASRC）的研究人员详细介绍了一个突破性的实验，他们能够在一个定制的超材料中观察到电磁信号的时间反射。
"该论文的通讯作者、纽约市立大学研究生中心物理学特聘教授、纽约市立大学ASRC光子学计划创始主任Andrea Alù说："看到这一点真的很激动，因为这种反直觉的现象在很久以前就被预测到了，而且与空间反射的波相比，时间反射的波的表现是多么不同。"利用复杂的超材料设计，我们能够实现在时间上改变材料特性的条件，既突然又有很大的反差"。
这一壮举使在超材料中传播的宽带信号的很大一部分瞬间被时间逆转和频率转换。这种效果形成了一种奇怪的回声，其中信号的最后一部分首先被反射。结果是，如果你要看一面时间镜，你的反射会被翻转，你会看到你的背部而不是你的脸。在这个观察的声学版本中，你会听到类似于磁带倒带时发出的声音。
研究人员还证明，由于宽带频率转换，时间反射信号的持续时间被拉长了。因此，如果这些光信号对我们的眼睛是可见的，它们的所有颜色都会突然转变，例如红色会变成绿色，橙色会变成蓝色，而黄色会出现紫色。
为了实现他们的突破，研究人员使用了工程超材料。他们将宽带信号注入一条蜿蜒的金属带，该金属带长约6米，印在一块板子上，并装载了密集的电子开关阵列，与储能电容相连。然后所有的开关同时被触发，沿线的阻抗突然均匀地增加了一倍。这种电磁特性的快速而巨大的变化产生了一个时间接口，而测量的信号忠实地携带着传入信号的时间反转副本。
该实验表明，实现时间接口是可能的，产生高效的时间逆转和宽带电磁波的频率转换。这两种操作都为极端波的控制提供了新的自由度。这一成就可以为无线通信中令人兴奋的应用以及小型、低能量、基于波的计算机的发展铺平道路。
"论文的共同第一作者、纽约市立大学ASRC的博士后研究员徐根玉说："在以前的研究中，阻碍时间反射的关键路障是认为需要大量的能量来创造一个时间界面。"要想足够快地、均匀地、以足够的对比度改变介质的属性以时间反映电磁信号是非常困难的，因为它们的震荡速度非常快。我们的想法是避免改变宿主材料的属性，而是创造一种超材料，在其中可以通过快速开关突然增加或减少额外的元素。"
"到目前为止，超材料的奇异电磁特性是通过巧妙地结合许多空间界面来设计的，"共同第一作者尹世雄补充道，他是纽约市立大学ASRC和纽约城市学院的研究生。"我们的实验表明，有可能将时间接口添加到混合中，扩大操纵波的自由度。我们还能够创建一个时间版的谐振腔，它可以用来实现电磁信号的一种新形式的过滤技术。"
引入的超材料平台可以有力地结合多个时间界面，实现电磁时间晶体和时间超材料。与量身定制的空间接口相结合，这一发现有可能为光子技术开辟新的方向，并为增强和操纵波与物质的相互作用提供新的途径。
更多信息
Andrea Alù, Observation of temporal reflection and broadband frequency translation at photonic time interfaces, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-01975-y. www.nature.com/articles/s41567-023-01975-y
