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May 19, 2023

Questo specchio inverte il modo in cui la luce viaggia nel tempo

Light can reflect off mirrors, and sounds off surfaces. However, scientists have

La luce può riflettersi sugli specchi e i suoni sulle superfici. Tuttavia, gli scienziati hanno a lungo teorizzato sulle riflessioni temporali, in cui un segnale che passa attraverso una “interfaccia” temporale si comporterebbe come se viaggiasse indietro nel tempo. Ora un nuovo studio dimostra per la prima volta i riflessi temporali con le onde luminose. Questa scoperta potrebbe portare a nuovi e insoliti modi per controllare la luce, come i cristalli del tempo fotonico, per potenziali applicazioni nelle comunicazioni wireless, nelle tecnologie radar e nel calcolo fotonico.

Una riflessione standard si verifica quando un segnale rimbalza su un confine nello spazio. Al contrario, le riflessioni temporali possono verificarsi quando l’intero mezzo in cui viaggia un’onda luminosa o sonora cambia improvvisamente e cambia drasticamente le sue proprietà ottiche o sonore.

In precedenza, i ricercatori non conoscevano alcun modo per modificare le proprietà ottiche di un materiale in modo sufficientemente veloce, forte e uniforme da creare un’interfaccia temporale fotonica in grado di generare riflessioni temporali per le onde elettromagnetiche. Ora, dopo sei decenni di ricerca, gli scienziati hanno creato la prima interfaccia temporale per la luce.

Quando un'onda luminosa entra nella nuova interfaccia temporale e il dispositivo cambia le sue proprietà ottiche, il segnale continua ad avanzare nello spazio. Tuttavia, il segnale viene invertito: se fosse una parola pronunciata, suonerebbe come se fosse riprodotta al contrario. Al contrario, con una riflessione convenzionale, un'onda luminosa o sonora ritornerebbe alla sua sorgente ma per lo più avrebbe lo stesso aspetto o suono di prima della riflessione.

Gli scienziati hanno realizzato riflessioni fotoniche del tempo utilizzando un metamateriale, un tipo di struttura progettata per possedere caratteristiche generalmente non presenti in natura, come la capacità di piegare la luce in modi inaspettati. Tale lavoro ha portato alla realizzazione di mantelli dell’invisibilità in grado di nascondere gli oggetti dalla luce, dal suono, dal calore e da altri tipi di onde.

I metamateriali ottici, progettati per manipolare la luce, possiedono strutture con schemi ripetuti su scale inferiori alle lunghezze d'onda della luce che influenzano. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno trasmesso segnali radio in una striscia di metallo serpeggiante lunga circa 6 metri. A questa striscia metallica era collegata una serie di 30 interruttori elettronici, ciascuno collegato a un condensatore.

Quando questi interruttori nel nuovo dispositivo vengono attivati ​​contemporaneamente, l'impedenza della striscia raddoppia in circa 3 nanosecondi. Una riflessione temporale della luce può verificarsi se le proprietà ottiche di un materiale cambiano molto più velocemente delle variazioni temporali dei segnali coinvolti, afferma l'autore senior dello studio Andrea Alù, ingegnere elettrico presso il Graduate Center della City University di New York.

Inoltre le nuove interfacce temporali possono allungare o comprimere i segnali luminosi nel tempo. Ciò può a sua volta cambiare bruscamente il colore di questi segnali, osserva Alù.

Gli scienziati hanno anche dimostrato di poter combinare più interfacce temporali. Nella “lastra temporale” risultante, potrebbero far sì che i segnali interferiscano tra loro. Questo nuovo dispositivo è una versione temporale dei comuni filtri Fabry-Pérot ampiamente utilizzati nelle telecomunicazioni, nei laser e in altre applicazioni per il controllo della luce.

I ricercatori suggeriscono che le interfacce temporali potrebbero trovare impiego nelle comunicazioni wireless, nelle tecnologie radar e nel calcolo ottico. Queste applicazioni spesso invertono l'ordine dei segnali per facilitarne l'elaborazione. Attualmente, il modo più comune per eseguire tale inversione temporale è attraverso mezzi digitali, ma ciò comporta richieste di tempo, energia e memoria. Al contrario, le interfacce temporali possono consentire l’inversione del tempo molto rapidamente e con poca energia, dice Alù.

Inoltre, le nuove interfacce temporali potrebbero aiutare gli scienziati a sviluppare nuovi modi esotici per controllare la luce, come i “cristalli temporali fotonici”. Un cristallo normale è una struttura di molti atomi disposti secondo uno schema regolare nello spazio, mentre un cristallo fotonico convenzionale possiede caratteristiche più piccole delle lunghezze d'onda della luce che è progettato per gestire. In precedenza, i ricercatori avevano anche sviluppato cristalli temporali, in cui molte particelle sono ordinate in serie regolari di movimenti, schemi nel tempo anziché nello spazio. Recentemente, gli scienziati hanno sviluppato cristalli temporali fotonici, in cui le proprietà ottiche variano regolarmente nel tempo.