Bizarr időtükrözést valósítottak meg elektromágneses hullámokkal

Illusztráció
Vágólapra másolva!
Időbeli tükrözést valósítottak meg elektromágneses hullámokkal amerikai fizikusok. Az időbeli tükrözés egy régóta megjósolt, de eddig soha meg nem figyelt bizarr jelenség, amelyben a tükrözött jel visszafordul, és a frekvenciája is megváltozik. Mintha a visszhang megfordítaná a szavainkat, ahogy a visszafelé lejátszott magnószalagon halljuk őket.
Vágólapra másolva!

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.

Illusztráció Forrás: Science Photo Library via AFP/SAKKMESTERKE/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Sakkmesterke/Science Photo Libra

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. –

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."