Affiche le temps de réflexion des ondes électromagnétiques dans une expérience pilote

Cette découverte a jeté les bases d’applications révolutionnaires dans les communications sans fil et l’informatique optique.

Lorsque nous nous regardons dans le miroir, nous sommes habitués à voir nos visages nous regarder. L’image réfléchie est produite par des ondes lumineuses électromagnétiques rebondissant sur une surface de miroir, créant un phénomène commun appelé réflexion spatiale. De même, les réflexions spatiales des ondes sonores forment des échos qui nous renvoient nos paroles dans l’ordre où elles ont été prononcées.

Pendant plus de six décennies, les scientifiques ont supposé qu’une forme différente de réflexion des ondes, connue sous le nom de réflexion des ondes, pouvait être observée mon tempsou temps, Réflexion. Contrairement à la réflexion spatiale, qui se produit lorsque des ondes lumineuses ou sonores frappent une limite telle qu’un miroir ou un mur à un endroit spécifique de l’espace, la réflexion temporelle se produit lorsque les ondes se déplacent brusquement et modifient leurs propriétés à travers elles. tout l’espace. Dans un tel événement, le temps de la portion d’onde est inversé et sa fréquence est décalée vers une nouvelle fréquence.

(a) Réflexe spatial conventionnel : une personne voit son propre visage lorsqu’elle se regarde dans un miroir, ou lorsqu’elle parle, les échos reviennent dans le même ordre. (b) Reflet du temps : une personne se regarde de dos lorsqu’elle se regarde dans le miroir et se voit dans différentes couleurs. Ils entendent leurs échos dans l’ordre inverse, comme une bande en cours de lecture. Crédit : Andrea Allo

A ce jour, ce phénomène n’a pas été observé pour les ondes électromagnétiques. La raison fondamentale de ce manque de preuves est que les propriétés optiques d’un matériau ne peuvent pas être facilement modifiées avec des vitesses et des amplitudes qui entraîneraient une inversion du temps. Maintenant, cependant, dans un article récemment publié à <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="

” data-gt-translate-attributes=”[{”attribut=””>NaturePhysique[{”attribute=””>NaturePhysicsdes chercheurs du Advanced Science Research Center du CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) détaillent une expérience révolutionnaire dans laquelle ils ont pu observer les réflexions temporelles des signaux électromagnétiques dans un métamatériau personnalisé.

“Cela a été vraiment excitant à voir, en raison de la date à laquelle ce phénomène contre-intuitif a été prédit, et de la façon dont les différentes ondes réfléchies dans le temps se comportent par rapport à celles réfléchies dans l’espace”, a déclaré l’auteur correspondant de l’article, Andrea Alù, professeur émérite de physique à The City University of New York Graduate Center et directeur fondateur de la CUNY ASRC Photonics Initiative. “Grâce à une conception sophistiquée de métamatériaux, nous avons pu réaliser les conditions nécessaires pour modifier les propriétés du matériau dans le temps, à la fois de manière abrupte et avec un grand contraste.”

Cet exploit a entraîné une inversion instantanée du temps et une conversion de fréquence d’une partie importante des signaux à large bande circulant dans le métamatériau. L’effet forme un étrange écho dans lequel la dernière partie du signal est réfléchie en premier. En conséquence, si vous deviez regarder dans un miroir temporel, votre reflet serait inversé et vous verriez votre dos au lieu de votre visage. Dans la version acoustique de cette observation, vous entendriez un son similaire à ce qui est émis lors du rembobinage d’une bande.

Illustration de la plate-forme expérimentale utilisée pour réaliser des réflexions temporelles. Un signal de commande (en vert) est utilisé pour activer uniformément un ensemble d’interrupteurs répartis le long d’une ligne triplaque métallique. Lors de la fermeture/ouverture des interrupteurs, l’impédance électromagnétique de ce métamatériau adapté est brusquement diminuée/augmentée, ce qui provoque la réflexion partielle dans le temps d’un signal à propagation directe à large bande (en bleu) (en rouge) avec toutes ses fréquences converties. (Adapté de Nature Physics.) Crédit : Andrea Alu

Les chercheurs ont également démontré que la durée des signaux réfléchis dans le temps était étirée dans le temps en raison de la conversion de fréquence à large bande. En conséquence, si les signaux lumineux étaient visibles à nos yeux, toutes leurs couleurs se transformeraient brusquement, de sorte que le rouge deviendrait vert, l’orange deviendrait bleu et le jaune deviendrait violet.

Pour réaliser leur percée, les chercheurs ont utilisé des

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>métamatériaux[{“attribute=””>metamaterials. Ils ont injecté des signaux à large bande dans une bande de métal sinueuse d’environ 6 mètres de long, imprimée sur une carte et chargée d’un réseau dense de commutateurs électroniques connectés à des condensateurs de réservoir. Tous les interrupteurs se sont alors déclenchés en même temps, doublant brusquement et uniformément l’impédance le long de la ligne. Ce changement rapide et important des propriétés électromagnétiques a produit une interface temporelle, et les signaux mesurés transportaient fidèlement une copie inversée dans le temps des signaux entrants.

L’expérience a démontré qu’il est possible de réaliser une interface temporelle, produisant une inversion temporelle et une transformation de fréquence efficaces des ondes électromagnétiques à large bande. Ces deux opérations offrent de nouveaux degrés de liberté pour un contrôle extrême des vagues. Cette réalisation peut ouvrir la voie à des applications passionnantes dans les communications sans fil et au développement de petits ordinateurs à faible consommation d’énergie et basés sur les ondes.

“Le principal obstacle qui empêchait les réflexions temporelles dans les études précédentes était la conviction qu’il faudrait de grandes quantités d’énergie pour créer une interface temporelle”, a déclaré Gengyu Xu, co-premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral à CUNY ASRC. « Il est très difficile de modifier les propriétés d’un milieu assez rapidement, uniformément et avec suffisamment de contraste pour refléter dans le temps les signaux électromagnétiques car ils oscillent très rapidement. Notre idée était d’éviter de modifier les propriétés du matériau hôte et de créer à la place un métamatériau dans lequel des éléments supplémentaires peuvent être brusquement ajoutés ou soustraits via des commutateurs rapides.

“Les propriétés électromagnétiques exotiques des métamatériaux ont jusqu’à présent été conçues en combinant de manière intelligente de nombreuses interfaces spatiales”, a ajouté le co-premier auteur Shixiong Yin, étudiant diplômé à CUNY ASRC et au City College de New York. « Notre expérience montre qu’il est possible d’ajouter des interfaces temporelles dans le mélange, étendant les degrés de liberté pour manipuler les ondes. Nous avons également pu créer une version temporelle d’une cavité résonnante, qui peut être utilisée pour réaliser une nouvelle forme de technologie de filtrage des signaux électromagnétiques.

La plate-forme de métamatériaux introduite peut combiner puissamment plusieurs interfaces temporelles, permettant des cristaux de temps électromagnétiques et des métamatériaux temporels. Combinée à des interfaces spatiales sur mesure, cette découverte offre le potentiel d’ouvrir de nouvelles directions pour les technologies photoniques et de nouvelles façons d’améliorer et de manipuler les interactions onde-matière.

Référence : « Observation de la réflexion temporelle et de la translation de fréquence à large bande aux interfaces temporelles photoniques » par Hady Moussa, Gengyu Xu, Shixiong Yin, Emanuele Galiffi, Younes Ra’di et Andrea Alù, 13 mars 2023, Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-023-01975-y

Cette recherche a été partiellement financée par l’Air Force Office of Scientific Research et la Simons Foundation.