Вчені вперше відбили електромагнітні хвилі в часі

Науковці з Центру передових наукових досліджень Нью-Йоркського міського університету досягли того, що довгий час здавалося неможливим. Вони змогли відбити електромагнітні хвилі в часі, а не лише в просторі. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Physics і демонструють, що маніпулювання електромагнітними полями достатньо швидко та рівномірно для зворотного руху хвиль у часі більше не є теоретичною метою, а стало задокументованою реальністю.

Протягом десятиліть учені знали, що хвилі, будь то звукові чи світлові, можуть відбиватися від об'єктів у просторі. Саме так ми чуємо луна або бачимо своє відображення в дзеркалах. Але ідея часового відбиття, коли хвилі відскакують назад у часі, здавалася науковою фантастикою.

Це явище передбачає раптову та рівномірну зміну в середовищі, яке переносить хвилю. Така зміна змушує частину хвилі змінити напрямок у часі та перетворитися на іншу частоту. Головною проблемою завжди була кількість енергії, необхідної для зміни середовища достатньо швидко, щоб це сталося.

Прорив стався, коли дослідники звернулися до метаматеріалів. Це матеріали, створені для демонстрації властивостей, які не зустрічаються в природі. Замість спроби змінити властивості всього матеріалу одночасно, що вимагає величезної енергії, команда створила металеву смугу з вбудованими електронними перемикачами, з'єднаними з резервуарними конденсаторами.

Така конструкція дозволила активувати перемикачі за бажанням, фактично подвоюючи імпеданс уздовж смуги за частку секунди. За словами команди, ця різка та швидка зміна створила точні умови для виникнення часових відбиттів. «Наша ідея полягала в тому, щоб уникнути зміни властивостей основного матеріалу і замість цього створити метаматеріал, в якому додаткові елементи можна раптово додавати або віднімати за допомогою швидких перемикачів», пояснив Генгю Сюй, постдокторський дослідник, який брав участь у проєкті.

Часові відбиття поводяться зовсім інакше, ніж їхні просторові аналоги. Коли хвиля потрапляє на дзеркало, передня частина хвилі відскакує першою. При часовому відбитті першим відбивається кінець хвилі. За словами дослідників, це означає, що якби ви дивилися в часове дзеркало, ви б не побачили своє обличчя, а побачили б свою спину.

Якщо перекласти це на звук, це нагадувало б запис, який відтворюється у зворотному напрямку: швидкий, різкий та високий. Візуально зміна частоти хвилі може виглядати як раптова зміна кольору, наприклад, червоний перетворюється на зелений. Як пояснив Андреа Алу, провідний автор дослідження та директор Фотонної ініціативи в Центрі, це явище було передбачене давно, але побачити його реалізацію надзвичайно захоплююче.

Команда не просто переслідувала абстрактну ідею. Часові відбиття можуть зрештою забезпечити нові форми контролю хвиль, які значно покращать технології, залежні від електромагнітних сигналів. Краще володіння поведінкою хвиль може призвести до вдосконалення систем бездротового зв'язку або відкрити шлях для низькоенергетичних обчислень на основі хвиль.