Пояснення просторових відбиттів — чи то світла, чи звуку — досить інтуїтивні. Електромагнітне випромінювання у вигляді світла або звукових хвиль відповідно вдаряється об дзеркало чи стіну й змінює напрямок руху. Саме тому наші очі бачать відображення, а вуха — луну початкового сигналу. Однак уже понад 50 років учені теоретизують про існування в квантовій механіці іншого типу відбиття, відомого як часове відбиття.
Цей термін може викликати асоціації з ядерним DeLorean або певною поліцейською будкою (яка всередині більша, ніж зовні), але насправді науковці мають на увазі дещо інше. Часові відбиття виникають тоді, коли все середовище, яким поширюється електромагнітна хвиля, раптово змінює свої властивості. У результаті частина хвилі розвертається у зворотному напрямку, а її частота перетворюється на іншу.
Оскільки часові відбиття потребують рівномірних змін у всьому електромагнітному полі, вчені вважали, що для їхнього спостереження знадобиться надто багато енергії. Проте дослідники з Advanced Science Research Center при CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) у Нью-Йорку змогли успішно зафіксувати часові відбиття. Для цього вони передавали широкосмугові сигнали в металеву смугу, заповнену електронними перемикачами, під’єднаними до резервуарних конденсаторів.
Це дало змогу вмикати перемикачі у потрібний момент, подвоюючи імпеданс уздовж смуги. Така раптова зміна призвела до того, що сигнали сформували успішну копію, відбиту в часі. Результати дослідження були опубліковані в журналі Nature Physics.
«Надзвичайно складно змінити властивості середовища достатньо швидко, рівномірно й з необхідним контрастом, щоб отримати часові відбиття електромагнітних сигналів, адже вони коливаються дуже швидко», — пояснив у пресрелізі Ген’ю Сюй, співавтор роботи та постдокторант CUNY ASRC. — «Наша ідея полягала в тому, щоб не змінювати властивості базового матеріалу, а натомість створити метаматеріал, у якому додаткові елементи можна різко додавати або вилучати за допомогою швидких перемикачів».
Часові відбиття також поводяться інакше, ніж просторові. Оскільки такий «часовий відлуння» відображає останню частину сигналу першою, дослідники зазначають: якби ви подивилися в дзеркало часу, то побачили б свою спину, а не обличчя. В акустичному сенсі це було б схоже на прослуховування плівки в режимі перемотування назад — тобто швидко й на підвищених тонах.
Зсув частоти, якби його могли сприймати наші очі, виглядав би як раптова зміна кольору світла, наприклад, перехід червоного в зелений. Саме ця дивна й неінтуїтивна природа часових відбиттів довгий час ускладнювала їхнє вивчення.
«Було надзвичайно захопливо побачити це на власні очі, зважаючи на те, як давно передбачили цей неінтуїтивний феномен і наскільки інакше поводяться хвилі, відбиті в часі, порівняно з просторовими відбиттями», — зазначив у заяві провідний автор дослідження Андреа Алу, професор фізики та директор фотонної ініціативи CUNY ASRC.
Головне запитання: навіщо вчені прагнули відтворити це теоретичне часове відбиття в лабораторії? Річ у тім, що більш точний контроль над електромагнітними хвилями може значно поліпшити бездротовий зв’язок і навіть сприяти розвитку енергоефективних обчислювальних систем, заснованих на хвилях. Інакше кажучи, надзвичайно корисно знати все про електромагнітні хвилі — як у прямому, так і у зворотному напрямку.