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Oct 19, 2023

この鏡は光の時間の伝わり方を逆転させます

La luce può essere riflessa dagli specchi e il suono può essere riflesso dalle superfici. Tuttavia, scienziati

光は鏡で反射し、音は表面で反射することがあります。 しかし、科学者たちは長い間、時間「インターフェース」を通過する信号が時間を逆行しているかのように動作する時間反射について理論化してきました。 今回、新しい研究により、光波による時間反射が初めて実証されました。 この発見は、無線通信、レーダー技術、フォトニックコンピューティングにおける潜在的な応用のための、フォトニックタイムクリスタルなどの光を制御する新しい珍しい方法につながる可能性があります。

標準的な反射は、信号が空間の境界で反射するときに発生します。 対照的に、時間反射は、光または音波が伝わる媒体全体が突然、その光学的または音響的特性を劇的に変化させるときに発生することがあります。

これまで研究者らは、電磁波の時間反射を生成できるフォトニック時間インターフェースを作成するのに十分な高速、強力、かつ均一な方法で材料の光学特性を変更する方法を知りませんでした。 60 年にわたる研究を経て、科学者たちは光のためのこのような時間インターフェースを初めて作成しました。

光波が新しい時間インターフェースに入り、デバイスの光学特性が変化すると、信号は空間内を前進し続けます。 ただし、信号は逆になります。これが話し言葉である場合、あたかも逆方向に再生されているかのように聞こえます。 対照的に、従来の反射では、光または音波は発生源に戻りますが、ほとんどの場合、反射前と同じように見えたり聞こえたりします。

科学者らは、メタマテリアル（予期せぬ方法で光を曲げる能力など、自然界では通常見られない機能を持つように設計された構造の一種）を使用してフォトニック時間反射を実現した。 このような研究により、光、音、熱、その他の種類の波から物体を隠すことができる透明マントが誕生しました。

光を操作するように設計された光学メタマテリアルは、影響を与える光の波長よりも小さいスケールで繰り返しパターンを持つ構造を持っています。 新しい研究では、研究者らは長さ約6メートルの曲がりくねった金属片に無線信号を送信した。 それぞれコンデンサに接続された 30 個の電子スイッチのアレイがこの金属ストリップに接続されました。

新しいデバイスのこれらのスイッチが同時にトリガーされると、ストリップのインピーダンスは約 3 ナノ秒で 2 倍になります。 研究の主著者でニューヨーク市立大学大学院センターの電気技師であるアンドレア・アル氏は、材料の光学特性が関係する信号の時間変化よりもはるかに速く変化する場合、光の時間反射が発生する可能性があると述べている。

さらに、新しい時間インターフェイスは、光信号を時間内で伸縮したり圧縮したりできます。 これにより、これらの信号の色が突然変化する可能性があるとアル氏は指摘します。

科学者たちは、複数の時間インターフェースを組み合わせられることも示しました。 結果として生じる「時間スラブ」では、信号が互いに干渉する可能性があります。 この新しいデバイスは、電気通信、レーザー、および光を制御するその他の用途で広く使用されている一般的なファブリペロー フィルターの一時的なバージョンです。

研究者らは、時間インターフェースが無線通信、レーダー技術、光コンピューティングに利用できる可能性があると示唆している。 これらのアプリケーションでは、信号の処理を助けるために信号の順序を逆にすることがよくあります。 現在、このような時間反転を実行する最も一般的な方法はデジタル手段を使用することですが、これには時間、エネルギー、およびメモリが必要になります。 対照的に、時間インターフェースは、わずかなエネルギーで非常に迅速に時間を反転させることができる、とアル氏は言います。

さらに、新しい時間インターフェースは、科学者が「フォトニック時間結晶」など、光を制御する新しい方法を開発するのに役立つ可能性があります。 通常の結晶は、空間内に規則的なパターンに配置された多数の原子の構造ですが、従来のフォトニック結晶は、扱うように設計された光の波長よりも小さい特徴を備えています。 以前、研究者は、多くの粒子が規則的な一連の動き、つまり空間ではなく時間のパターンに配列される時間結晶も開発しました。 最近、科学者たちは、光学特性が時間の経過とともに規則的に変化するフォトニック時間結晶を開発しました。

「その結果、入ってくる信号を選択的に増幅し、非常に珍しい方法でその伝播を制御できるようになります」とアル氏は言う。

科学者らは、研究結果の詳細を 3 月 13 日付けの雑誌 Nature Physics にオンライン掲載しました。