突破性实验实现时间反射

当我们照镜子时，镜子里的自己也在看着我们，我们对这种场景简直再熟悉不过了。这种被称为空间反射的常见现象，是由电磁光波从镜面上反弹而产生的。类似地，声波的空间反射会形成回声，将我们的话按照说出的顺序再依次传回来。

60多年来，科学家一直认为，我们还可能观察到另一种形式的波反射，也就是所谓的时间反射。与由光或声波在空间的某一特定位置撞到边界（比如镜子或墙）时产生的空间反射不同的是，时间反射是信号的时间演化的一种反演。当传播信号的基质材料的属性在空间中突然发生改变时，就会产生时间反射。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

（左）常规的空间反射：当一个人在照镜子时，ta可以看到自己的镜像，或者当ta说话时，回声也会以同样的顺序传回。（右）时间反射：当一个人在照镜子时 ，ta看到的是自己的背影，而且看到的是不同颜色的自己，当他说话时，听到的回声是以相反的顺序传回的，类似于倒带的磁带。（图/asrc.gc.cuny.edu）

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在时间反射事件中，输入信号的一部分会出现时间反演，这一部分信号的频率也会均匀地平移，而转换成其他频率。对光波（电磁波）来说，这就好像是在逆向播放一段一辆飞驰的黄色汽车的视频时，汽车的颜色变成了紫色或者红色。以声波为例的话，就好比是听到类似磁带倒带时发出的声音。

然而，截至目前，这种现象从未在电磁波中被观察到。缺乏这种证据的根本原因是，材料的光学特性无法轻易地以特定的速度和幅度改变，进而诱发时间反射。

但现在，在《自然·物理学》新发表的一篇论文中，一组研究人员详细介绍了一项突破性的实验，表明他们能在一种定制的超材料中观察到电磁信号的时间反射。

  超材料的应用  

在先前的研究中，实现时间反射的障碍被认为是需要巨大的能量。想要足够快地、均匀地、让介质的属性发生足够大的改变是相当困难的，因为电磁信号的振荡速度非常快。因此，研究人员另辟蹊径。

他们的想法是避免改变宿主材料的属性。在实验中，他们使用了一种精心设计的特殊超材料。在这种超材料中，他们嵌入了可以开启和关闭的电子开关，并将这些开关与储能电容相连，进而可以通过快速开关有效地增加或者移除储存的电能来改变材料特性。

时间反射的实验平台示意图。（图/Andrea Alù）

他们将宽带信号送入一条长约6米的金属带中，其中蜿蜒环绕着充满开关的超材料。然后，所有的开关同时被触发，沿线的阻抗突然均匀增加了一倍。

这种电磁特性上的快速且巨大的变化产生了一个时间界面，从而形成了一种奇怪的“回声”，在这种回声中，信号的最后一部分会最先被反射，从而形成了输入信号的时间反演版本。

除此之外，研究人员还证明了，由于宽带频率转换，时间反射信号的持续时间也发生了改变。当所有开关被同步触发时，波的频率转换成了更长的波长。反之，当所有开关被触发关闭时，频率则转换成更短的波长。也就是说，如果这些电磁波信号是在可见光波段，那么它们的所有颜色都会突然改变，比如红会变成绿，橙会变成蓝，黄会变成紫。

  一系列潜在应用  

虽然这种反直觉的现象在很久之前已经被预测到了，但直到现在人们才真正见到它。而且与空间反射的波相比，时间反射的波的表现的确截然不同。

这项实验证明，完全有可能实现这样一种时间接口来产生高效的时间反演和宽带电磁波的频率转换。这两种操作都为极端波的控制提供了新的自由度。

团队目前正在尝试尽可能地让这种超材料变得更小，他们的目标是研制出芯片大小、能在更高频率下运行的超材料。研究人员表示，从长远角度来说，这将为无线通信的应用以及小型、低能量、基于波的计算机的发展铺平道路。

#创作团队：

编译：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://asrc.gc.cuny.edu/headlines/2023/03/scientists-demonstrate-time-reflection-of-electromagnetic-waves-in-a-groundbreaking-experiment/

https://www.simonsfoundation.org/2023/04/21/groundbreaking-experiment-rewinds-light-signals/

https://physicsworld.com/a/physicists-perform-first-ever-measurement-of-time-reflection-in-microwaves/

#图片来源：

封面图：MjZ Photography, CC BY-NC-ND

首图：Andrea Alù