Ahhoz vagyunk szokva, hogy amikor tükörbe nézünk, az arcunk néz vissza ránk. A tükörképünk elektromágneses hullámokból áll, amelyek visszaverődnek a tükröző rétegről, s az ennek hátterében álló közönséges jelenséget térbeli tükrözésnek nevezik a fizikusok. Ugyanez a jelenség a hanghullámokkal is lejátszódik, amikor kiejtett szavaink visszaverődnek egy sziklafalról, és a visszhang elismétli őket ugyanabban a sorrendben, ahogy kiejtettük őket.
A tudósok több mint hatvan éve felvetették, hogy elvben a hullámvisszaverődés egy másik formáját is meg kellene tudnunk figyelni. Ellentétben a térbeli tükrözéssel, amely akkor valósul meg, amikor a fény- vagy hanghullámok egy térbeli határfelületbe ütköznek, az időbeli tükrözésnek nevezett jelenség olyankor lép fel, ha a teljes közeg, amelyben a hullám utazik, hirtelen és mindenütt megváltoztatja a tulajdonságait. Ha ilyesmi történik, a hullám egy része időben megfordul, és a frekvenciája is egy új frekvenciává alakul.
A jelenséget eddig elektromágneses hullámokkal senkinek sem sikerült megfigyelnie, aminek az a fő oka, hogy egy anyag optikai tulajdonságait nem könnyű olyan sebességgel és olyan mértékben megváltoztatni, ami elegendő volna az időbeli tükrözés előállításához. Most azonban a City University of New York (CUNY) tudományos kutatóközpontjának, az Advanced Science Research Centernek a munkatársai úttörő kísérletet közöltek a Nature Physics folyóiratban, amelyben sikerült elektromágneses jelek időtükrözését megvalósítaniuk egy kimondottan erre a célra tervezett metaanyag segítségével.
„Különösen izgalmas volt a megfigyelés, nem csak mert már annyira régen megjósolták ennek az intuícióval ellenkező jelenségnek a létezését, hanem azért is, mert az időtükrözött hullámok annyira másképp viselkednek, mint a térben tükrözöttek – nyilatkozta Andrea Alù, a CUNY professzora és a cikk levelező szerzője. –
Egy ötletesen tervezett metaanyag révén megvalósítottuk azokat a feltételeket, amelyek között a vivőközeg tulajdonságai egy csapásra és nagy mértékben megváltoznak."
Az agyafúrt trükknek köszönhetően a metaanyagban utazó szélessávú jel nagy része azonnali időtükrözésen esett át, a frekvenciája pedig megváltozott. A jelenség olyan különleges visszaverődést állít elő, amelyben a jel vége tükröződik először. Ez olyan, mintha a tükörbe nézve nem az arcunkat, hanem a fejünk hátulját pillantanánk meg. Ha pedig hanghullámokkal történnék ugyanez, az olyan lenne, mint amikor a hangszalagot visszafelé játsszák le.
A kutatók megmutatták, hogy az időtükrözött jel hosszúsága a szélessávú frekvenciaátalakulás miatt időben széthúzódott. Ha a tükrözött jel a szemünkkel látható fény lenne, azt tapasztalnánk, hogy a színei azonnal átalakulnak: a pirosból zöld, a narancsból kék és a sárgából ibolyaszín lesz.
Az áttörés kulcsa a hullámokat szállító metaanyag speciálisan tervezett kialakításában rejlik.
A szélessávú jelek egy áramköri lapra kacskaringós vonalban nyomtatott, nagyjából 6 méter hosszú fémszalagban terjedtek, amelyet kondenzátorokba befutó elektromos kapcsolók sokaságával vettek körül. Amikor az összes kapcsolót egyszerre átváltották, a szalag impedanciája egy szempillantás alatt és a szalag teljes hosszán egyöntetűen a kétszeresére változott.
Az elektromágneses tulajdonságok e hirtelen és nagymértékű változása egyfajta időbeli határfelületet teremtett, s az ezen visszaverődött hullámok hűen visszaadták a bemenő jel időben tükrözött mását.
Ezzel a kutatók a hullámviselkedés irányításának új dimenzióit nyitották meg a kutatás és a technológia előtt.
A lehetséges jövőbeni alkalmazások között újfajta vezeték nélküli kommunikációs eszközök és kisméretű, alacsony energiafelhasználású hullám-alapú számítógépek is szerepelnek.
„A korábbi tanulmányokban az a tévhit képezte az időbeli tükrözés megvalósításának legfontosabb akadályát, hogy az időbeli határfelület létrehozásához óriási energiákra van szükség – magyarázta Gengyu Xu, a CUNY posztdoktor kutatója és a cikk egyik első szerzője. – Nagyon nehéz egy vivőközeg tulajdonságait elég gyorsan és egyenletesen, illetve kellően nagy mértékben megváltoztatni ahhoz, hogy az elektromágneses jelek visszaverődjenek, mert hogy ezek nagyon gyorsan oszcillálnak. A mi ötletünk az volt, hogy ne magának a hordozóanyagnak a sajátságait próbáljuk megváltoztatni, hanem egy metaanyagot hozzunk létre, ahol a vivőközeghez egy gyors kapcsolás segítségével pillanatszerűen új elemeket tudunk hozzáadni."
„A metaanyagok egzotikus elektromágneses tulajdonságait már eddig is kihasználták a térbeli határfelületek mindenféle trükkös kombinálásával – tette hozzá a cikk másik első szerzője, Shixiong Yin. – A mi kísérleteink megmutatják, hogy az időbeli határfelületeket is be lehet hozni a játékba, s ezzel nagyban növelhetjük a hullámok manipulálási lehetőségeinek szabadságfokát. A rezonánsüreg időbeli változatát is létrehoztuk, melynek révén az elektromágneses jelek szűrésének újfajta technológiáját tudjuk kiépíteni."