时间反射镜在无线通信、雷达和光学计算的潜在应用

时间反射镜在无线通信、雷达和光学计算的潜在应用

长期以来，科学家们一直在进行“时间反射”的理论研究，在这一概念中，穿过时间“界面”的光或声音信号表现得好像是在时间上倒退。现在，有一项新的研究证明了光波的时间反射。这一发现可能会带来新的、独特的光控制方法，例如光子时钟晶体，以及在无线通信、雷达技术和光子计算中的潜在应用。

标准反射发生在信号从空间的边界反弹。相比之下，实现时间反射是光波或声波在整个介质传播，光学或声波特性突然且剧烈地发生改变。

此前，研究人员尝试了创建一个光子时间界面，它能够产生电磁波的时间反射。但他们不知道如何以快速、强健和稳定的方式改变材料的光学特性，获得所需结果。如今，经过60年的研究，科学家们创造了第一个这样的光时间界面。

当光波进入这个新的时间界面，且设备改变其光学特性时，信号会在空间中继续向前移动，但会发生反转。如果信号是一句口头语，那么它听起来就像是在倒放。在传统反射中，光波或声波会传播回其源头，但其看起来或听起来大多与其反射前相同。

科学家们实现光子时间反射使用的是一种超材料，这种材料的结构具有自然界中通常不存在的特性，例如，能够以想不到的方式使光弯曲。这就实现了“隐形斗篷”，它可以隐藏物体，使其免受光、声音、热或其他类型的波的影响。

这些概念图展示了超材料的特性是如何产生时间反射的。在左图中，一只灰色的猫站在一小块玻璃(粉色)旁边。从玻璃的近边缘反射的光形成猫的镜像。有些光透过玻璃，出现在了玻璃的另一侧;还有的光沿着玻璃块的近边缘和远边缘的内部反射，形成了模糊、扭曲和变色的猫图像。右图展示了另一种场景，在这种场景下，整个介质(即超材料，绿色)的光学特性发生变化，然后会非常迅速地再次变化回来。在这里，介质特性的快速闪烁“调整”了材料，使光子的方向有效地反转。

光学超材料用于操作光，其结构具有重复的图案，图案尺度小于受影响的光的波长。在这项研究中，研究人员将无线电信号发送到大约6米长的弯曲金属带上，然后，他们将一组30个电子开关连接到这个金属带，每个开关都连接了一个电容器。

当这些开关被同时触发时，在大约3纳秒内，金属带的阻抗会翻倍。这种变化比相关信号同时间内的变化要快，会导致光的时间反射。该研究的资深作者、纽约城市大学研究生中心物理学和电气工程教授安德里亚•阿卢（Andrea Alù）说，新的接口还能同时拉伸或压缩光信号。阿卢指出，同样，这也能突然改变这些信号的颜色。

这种新型设备是常见的法布里成像光谱仪的临时版本，法布里成像光谱仪广泛用于电信、激光和其他应用领域，例如，轨道卫星检测地面甲烷泄露时就会用到这种光谱仪。

研究人员认为，为了帮助处理信号，时间界面的最初应用可能会颠倒信号的顺序。目前，时间反射是通过首先将信号数字化并将其反转来完成的，但这需要时间、能量和存储空间，而研究人员希望避免这些额外需求。

阿卢说，时间界面避开了时间和能量的紧缺。此外，新的界面也许能帮助科学家开发出控制光的奇特新方法，例如光子时钟晶体，光子时钟晶体的光学特性会随时间有规律地变化。“因此，人们可以选择性地放大输入信号，并以极其不同寻常的方式控制信号传播。”他说。

2023年3月13日，科学家们在《自然•物理学》杂志上在线详细介绍了其发现。

作者：Charles Q. Choi