Cuando nos miramos en un espejo, estamos acostumbrados a ver nuestra cara reflejada. Las imágenes reflejadas son producidas por ondas electromagnéticas de luz que rebotan en la superficie del espejo, creando el fenómeno común llamado reflexión espacial. Del mismo modo, las reflexiones espaciales de las ondas sonoras forman ecos que nos devuelven nuestras palabras en el mismo orden en que las pronunciamos.
Los científicos llevan más de seis décadas barajando la posibilidad de observar una forma distinta de reflexión de ondas, conocida como reflexión temporal o de tiempo. A diferencia de las reflexiones espaciales, que se producen cuando las ondas de luz o sonido chocan contra un límite, como un espejo o una pared, en un lugar concreto del espacio, las reflexiones temporales se producen cuando todo el medio en el que viaja la onda cambia repentina y bruscamente sus propiedades en todo el espacio. En ese momento, una parte de la onda se invierte en el tiempo y su frecuencia se convierte en una nueva.
Hasta la fecha, este fenómeno nunca se había observado en las ondas electromagnéticas. La razón fundamental de esta falta de evidencia es que las propiedades ópticas de un material no se pueden cambiar fácilmente a una velocidad y magnitud que induzca reflexiones temporales. Ahora, sin embargo, en un artículo recientemente publicado en Nature Physics , los investigadores del Centro de Investigación de Ciencias Avanzadas del Centro de Graduados de CUNY (CUNY ASRC) detallan un experimento revolucionario en el que pudieron observar los reflejos temporales de señales electromagnéticas en un metamaterial hecho a medida.
“Ha sido realmente emocionante observar este fenómeno, porque hace mucho tiempo que se predijo este fenómeno contraintuitivo y cómo se comportan las diferentes ondas reflejadas en el tiempo en comparación con las reflejadas en el espacio”, dijo el autor correspondiente del artículo, Andrea Alù, Profesor Distinguido de Física en The Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York y director fundador de CUNY ASRC Photonics Initiative. “Usando un diseño de metamaterial sofisticado, pudimos darnos cuenta de las condiciones para cambiar las propiedades del material en el tiempo de forma abrupta y con un gran contraste”.
Esta hazaña provocó que una parte significativa de las señales de banda ancha que viajaban en el metamaterial se invirtieran instantáneamente en el tiempo y se convirtieran en frecuencia. El efecto forma un extraño eco en el que se refleja primero la última parte de la señal. Como resultado, si nos miráramos en un espejo temporal, nuestro reflejo se invertiría y veríamos nuestra espalda en lugar de nuestra cara. En la versión acústica de esta observación, escucharía un sonido similar al que se emite durante el rebobinado de una cinta.
Los investigadores también demostraron que la duración de las señales reflejadas en el tiempo se extendía en el tiempo debido a la conversión de frecuencia de banda ancha. Como resultado, si las señales de luz fueran visibles para nuestros ojos, todos sus colores se transformarían abruptamente, de modo que el rojo se convertiría en verde, el naranja en azul y el amarillo en violeta.
Para lograr su avance, los investigadores utilizaron metamateriales de ingeniería. Inyectaron señales de banda ancha en una tira serpenteante de metal de unos seis metros de largo, impresa en una placa y cargada con una densa matriz de interruptores electrónicos conectados a condensadores de depósito. Todos los interruptores se activaron al mismo tiempo, duplicando repentina y uniformemente la impedancia a lo largo de la línea. Este cambio rápido y grande en las propiedades electromagnéticas produjo una interfaz temporal, y las señales medidas transmitieron fielmente una copia invertida en el tiempo de las señales entrantes.
El experimento demostró que es posible realizar una interfaz de tiempo, produciendo una inversión de tiempo eficiente y una transformación de frecuencia de ondas electromagnéticas de banda ancha. Ambas operaciones ofrecen nuevos grados de libertad para el control extremo de las ondas. El logro puede allanar el camino para aplicaciones interesantes en comunicaciones inalámbricas y para el desarrollo de computadoras pequeñas, de bajo consumo y basadas en ondas.
“El obstáculo clave que impidió los reflejos del tiempo en estudios anteriores fue la creencia de que se necesitarían grandes cantidades de energía para crear una interfaz temporal”, dijo Gengyu Xu, coautor del artículo e investigador postdoctoral en CUNY ASRC. “Es muy difícil cambiar las propiedades de un medio lo suficientemente rápido, uniforme y con suficiente contraste para que el tiempo refleje las señales electromagnéticas porque oscilan muy rápido. Nuestra idea era evitar cambiar las propiedades del material anfitrión y, en cambio, crear un metamaterial en el que los elementos adicionales se puedan agregar o quitar abruptamente a través de cambios rápidos”.
“Hasta ahora, las propiedades electromagnéticas exóticas de los metamateriales se han diseñado combinando de manera inteligente muchas interfaces espaciales”, agregó el coautor principal Shixiong Yin, estudiante graduado en CUNY ASRC y en The City College of New York. “Nuestro experimento muestra que es posible agregar interfaces de tiempo a la mezcla, extendiendo los grados de libertad para manipular ondas. También hemos podido crear una versión temporal de una cavidad resonante, que se puede utilizar para realizar una nueva forma de tecnología de filtrado de señales electromagnéticas”.
La plataforma de metamateriales introducida puede combinar poderosamente múltiples interfaces de tiempo, permitiendo cristales de tiempo electromagnéticos y metamateriales de tiempo. Combinado con interfaces espaciales personalizadas, el descubrimiento ofrece el potencial de abrir nuevas direcciones para las tecnologías fotónicas y nuevas formas de mejorar y manipular las interacciones onda-materia.
Esta investigación fue financiada parcialmente por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Simons.
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