Poprvé v historii vědy se výzkumníkům podařilo experimentálně potvrdit jev zvaný „časový odraz“ elektromagnetických vln. Skupina vědců z Městské univerzity v New Yorku (CUNY) vyvinula zařízení, ve kterém se vlastnosti prostředí mění tak rychle, že světelný impuls se odráží nikoli od fyzické překážky, ale od momentu času.

Klasická fyzika vlnových procesů se zakládá na interakci vln s nehomogenitami prostoru. Když světlo nebo rádiový signál přechází z jednoho média do druhého (například z vzduchu do vody), vzniká rozhraní. Na tomto rozhraní část vlny pokračuje a část se odráží. Tento princip je základem veškeré moderní optiky a radarové technologie.

Maxwellovy rovnice však připouštějí existenci jiného typu rozhraní – časových. Pokud se vlastnosti média, ve kterém se vlna šíří, mění okamžitě a homogenně v celém prostoru, vzniká „časová hranice“. Dosud bylo pozorování tohoto efektu v elektromagnetickém spektru nevyřešeným inženýrským úkolem kvůli velmi vysokým požadavkům na rychlost přepínání.

V práci publikované v časopise Nature Physics tým vedený Andreou Alu ukázal, jak metamatriál může prakticky realizovat tento teoretický koncept.

Fyzika procesu: prostor versus čas

Abychom porozuměli podstatě experimentu, je třeba pochopit rozdíl mezi prostorovým a časovým odrazem z pohledu zákonů zachování.

• Prostorový odraz: Když se vlna setká s překážkou (změnou prostředí v prostoru), dochází k porušení translational symmetry v prostoru. V důsledku toho se mění impuls vlny, ale její energie (frekvence) zůstává konstantní. Proto odražené světlo v zrcadle nemění svůj barvu.
• Časový odraz: Pokud se vlastnosti média mění náhle v čase, ale zůstávají homogenní v prostoru, zachovává se prostorová symetrie. Tím pádem je impuls vlny (vlnový vektor) povinen zůstat zachován. Aby to splnilo toto podmínku v novém médiu, vlna se musí nutně změnit v energii. To vede k okamžitému posunu frekvence.

Při tomto interakci se původní signál rozdělí na dvě části: lámavá vlna, která se pohybuje kupředu, a odražená vlna, která se začne pohybovat zpět. Odražená vlna přitom prochází časovou inverzí – signál se přehrává v opačném pořadí.

Inženýrské provedení

Hlavní obtíž spočívala ve rychlosti. Aby vznikl časový odraz, musí k změně vlastností média dojít během času, který je mnohem kratší než doba kmitání samotné vlny. Pro optické spektrum by to vyžadovalo femtosekundové přepínání a obrovské energetické nároky.

Skupina Alu tuto překážku obejíšla použitím mikrovlnného spektra. Vytvořili metamatriál založený na šestimetrové meandrové přenosové linii (elektrického vodiče složitého tvaru). Linie byla zatěžována polem kondenzátorů připojených přes vysokorychlostní spínače.

Během projíždění širokopásmového signálu přes linku vědci podávali synchronní řídicí signál. Spínače spínaly během 3 nanosekund, ostře měnily efektivní kapacitu a impedanci celé linky současně. Pro šířící se vlnu to vypadalo jako okamžitá změna fyzikálních konstant vesmíru, ve kterém se nachází.

Výsledky experimentu

Během série testů detektory zaznamenaly dva hlavní efekty, předpovězené teorií:

1. Časová inverze signálu: Odražená vlna se vracela ke zdroji v obrácené podobě: zadní fronta impulsu přicházela jako první, zatímco přední jako poslední. To potvrzuje, že interakce se odehrála právě v časové oblasti, a nikoli na prostorové hranici.
2. Transformace frekvence: Vzhledem k tomu, že impuls vlny zůstal zachován, a index lomu média se prudce zvyšoval, frekvence signálu prodělávala širokopásmový posun. Vědci byli schopni přesunout celé spektrum signálu do jiné oblasti frekvencí bez použití tradičních míchačů nebo nelineárních krystalů. Proces probíhá lineárně a s vysokou efektivitou konverze.

Časový rezonátor

Přesvědčivá realizace vedla k vytvoření „časové desky“. K tomu zapnuli a vypnuli změnu média s krátkým zpožděním. Vytvořilo to dvě po sobě jdoucí časové hranice.

Vlny, které byly odraženy od momentu zapnutí a momentu vypnutí, začaly interferovat navzájem. Na rozdíl od prostorového rezonátoru Fabri-Pérot, kde se vlny na sebe vrství v určitém bodě prostoru, tady se interference odehrávala v čase. Změnou délky pauzy mezi přepínáními získali vědci možnost přesně řídit spektrální složení výstupního signálu, potlačujíc nebo zesilujíc vybrané frekvence.

Význam pro technologie

Demonstrace fotonických časových rozhraní převádí teoretickou fyziku do oblasti aplikovaných technologií.

• Bezdrátové spojení 6G: technologie umožňuje extrémně rychlé řízení frekvence a tvaru signálu, které je nezbytné pro budoucí standardy spojení.
• Analogové výpočty: sch ability to instantly unfold signals in time is critically important for compensating for noise and distortions in data transmission channels.
• Fotonické časové krystaly: práce dává základy pro vytváření materiálů, jejichž struktura se opakuje ne v prostoru, ale v čase, což slibuje nové technologie v zesilování světelných signálů.

Tato studie dokazuje, že čas může fungovat jako dodatečná volnost při návrhu materiálů, což umožňuje manipulovat s vlnami způsoby, které jsou v statických systémech nemožné.