Cette découverte jette les bases d'applications révolutionnaires dans les communications sans fil et l'informatique optique


Lorsque nous nous regardons dans un miroir, nous sommes habitués à voir nos visages nous regarder. Les photographs réfléchies sont produites par des ondes lumineuses électromagnétiques rebondissant sur la surface area du miroir, créant le phénomène commun appelé réflexion spatiale. De même, les réflexions spatiales des ondes sonores forment des échos qui nous renvoient nos mots dans le même ordre que nous les avons prononcés.

Les scientifiques ont émis l’hypothèse pendant moreover de 6 décennies sur la possibilité d’observer une forme différente de réflexion des ondes, connue sous le nom de réflexions temporelles ou temporelles. Contrairement aux réflexions spatiales, qui surviennent lorsque des ondes lumineuses ou sonores frappent une limite telle qu’un miroir ou un mur à un endroit spécifique de l’espace, les réflexions temporelles surviennent lorsque l’ensemble du milieu dans lequel l’onde se déplace subitement et brusquement improve ses propriétés à travers tout l’espace. Lors d’un tel événement, une partie de l’onde est inversée dans le temps et sa fréquence est convertie en une nouvelle fréquence.

A ce jour, ce phénomène n’avait jamais 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 à une vitesse et une amplitude qui induisent des réflexions temporelles. Maintenant, cependant, dans un article récemment publié dans Character Physics, des chercheurs du Innovative Science Investigation Centre 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 sur mesure.

“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 Town College 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 situations 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 big bande circulant dans le métamatériau. L’effet forme un étrange écho dans lequel la dernière partie du sign 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 variation acoustique de cette observation, vous entendriez un son similaire à ce qui est émis lors du rembobinage d’une bande.

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 métamatériaux modifiés. Ils ont injecté des signaux à big 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 extended 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 feasible de réaliser une interface temporelle, produisant une inversion temporelle et une transformation de fréquence efficaces des ondes électromagnétiques à substantial bande. Ces deux opérations offrent de nouveaux degrés de liberté pour un contrôle extrême des vagues. Cette réalisation peut ouvrir la voie à des programs passionnantes dans les communications sans fil et au développement de petits ordinateurs à faible consommation d’énergie et basés sur les ondes.

“Le principal impediment 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-leading 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 or truck 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 par 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 Metropolis Higher education de New York. “Notre expérience montre qu’il est probable d’ajouter des interfaces temporelles dans le mélange, en étendant les degrés de liberté pour manipuler les ondes. Nous avons également pu créer une variation 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.

Cette recherche a été partiellement financée par l’Air Pressure Office of Scientific Analysis et la Simons Basis.