В мире физики совершено революционное открытие, которое звучит как фантастика. Международная группа исследователей впервые экспериментально подтвердила существование временных отражений — явления, когда электромагнитные волны отражаются не от поверхности в пространстве, а от границы во времени.
Что такое временное отражение?
Объяснение пространственных отражений — будь то свет в зеркале или звуковое эхо — довольно интуитивно понятно. Волны наталкиваются на физическую преграду и меняют направление.
Однако более 50 лет ученые теоретизировали о другом виде отражения в квантовой механике, известном как временное отражение. Это не путешествие во времени в научно-фантастическом смысле. Вместо этого временные отражения происходят, когда вся среда, в которой распространяется электромагнитная волна, внезапно и кардинально меняет свои свойства (например, свою электромагнитную проницаемость). Это заставляет часть волны обратиться вспять, а её частота — преобразоваться в другую.
Почему это открытие заняло так много времени?
Главной проблемой была энергия. Чтобы создать такую «временную границу», требуется невероятно быстрое и равномерное изменение свойств всей среды сразу. Электромагнитные волны колеблются с огромными скоростями, и ученые полагали, что создать контролируемые условия для наблюдения этого эффекта практически невозможно.
Гениальное решение и прорыв
Ученые из Передового научно-исследовательского центра при Аспирантском центре CUNY (CUNY ASRC) в Нью-Йорке нашли остроумное решение. Они создали специальное метаматериал — полоску металла, наполненную электронными переключателями, подключенными к накопительным конденсаторам.
Исследователи могли запускать эти переключатели по своему желанию, мгновенно удваивая общее сопротивление электрической цепи вдоль всей полоски. Это резкое и однородное изменение создавало ту самую «временную границу». Когда они посылали широкополосные сигналы через эту полоску, внезапный скачок импеданса заставлял сигналы отражаться во времени, создавая временную обратную копию. Результаты этого эксперимента были опубликованы в авторитетном журнале Nature Physics.
«Нашей идеей было избежать изменения свойств самого материала-носителя, а вместо этого создать метаматериал, в который дополнительные элементы можно было бы резко добавлять или убирать с помощью быстрых переключателей», — объяснил соавтор исследования Гэнъю Сюй.
Чем временное отражение отличается от обычного?
Этот феномен ведет себя совершенно иначе, чем его пространственный аналог. Поскольку «временное эхо» отражает последнюю часть сигнала первой, его можно сравнить с перемоткой магнитофонной ленты назад — сигнал становится быстрым и высокочастотным.
Если бы наши глаза могли это воспринять, сдвиг частоты выглядел бы как мгновенное изменение цвета света — например, красный внезапно стал бы зеленым.
Ученые приводят наглядную аналогию: если бы вы смотрели в «временное зеркало», вы бы увидели не свое лицо, а свою спину.
Зачем это нужно?
Зачем ученые десятилетиями стремились воссоздать это теоретическое явление? Ответ лежит в области практических технологий.
Более точный контроль над электромагнитными волнами может кардинально улучшить беспроводную связь (например, сделать её более эффективной и безопасной) и даже привести к созданию новых малоэнергетических волновых компьютеров.
«Это невероятно захватывающе — увидеть это явление, предсказанное так давно, и наблюдать, насколько по-разному ведут себя волны, отраженные во времени, по сравнению с отраженными в пространстве», — заявил соответствующий автор работы Андреа Алю.
Это открытие не просто подтверждает полувековую теорию — оно открывает двери к принципиально новым способам управления светом и радиоволнами, что может определить развитие технологий на десятилетия вперед.
