科学家在开创性实验中展示了电磁波的时间反射

当我们照镜子时，我们习惯于看到自己的脸在回望着自己。反射图像是由从镜面反射的电磁光波产生的，产生了称为空间反射的常见现象。同样，声波的空间反射形成回声，以我们说话的顺序将我们的话传回给我们。

六十多年来，科学家们一直在假设观察到一种不同形式的波反射的可能性，称为时间反射，或时间反射。与光波或声波在空间特定位置撞击边界(如镜子或墙壁)时产生的空间反射相反，当波在其中传播的整个介质突然并突然改变其特性时，时间反射产生所有的空间。在这种情况下，一部分波的时间会反转，其频率会转换为新频率。

迄今为止，这种现象从未在电磁波中被观察到。缺乏证据的根本原因是材料的光学特性不能轻易地以引起时间反射的速度和幅度改变。然而，现在，在《自然物理学》(Nature Physics)上新发表的一篇论文中，纽约市立大学研究生中心 (CUNY ASRC)高级科学研究中心的研究人员详细介绍了一项突破性实验，在该实验中，他们能够观察到定制超材料中电磁信号的时间反射。

“这真是令人兴奋，因为很久以前就预测了这种违反直觉的现象，以及时间反射波与空间反射波相比有何不同的行为，”该论文的通讯作者 Andrea Alù 说，他是该大学的杰出物理学教授纽约市立大学研究生中心和 CUNY ASRC Photonics Initiative 的创始主任。“使用复杂的超材料设计，我们能够意识到及时改变材料属性的条件，既突然又具有很大的反差。”

这一壮举导致在超材料中传输的宽带信号的很大一部分被瞬时时间反转和频率转换。这种效果形成了一个奇怪的回声，其中信号的最后一部分首先被反射。因此，如果你要看一面时间镜，你的倒影会被翻转，你会看到你的背影而不是你的脸。在这个观察的声学版本中，你会听到类似于磁带倒带时发出的声音。

研究人员还证明，由于宽带频率转换，时间反射信号的持续时间在时间​​上被拉长了。结果，如果光信号对我们的眼睛可见，它们所有的颜色都会突然转变，例如红色变成绿色，橙色变成蓝色，黄色变成紫色。

为了实现突破，研究人员使用了工程超材料。他们将宽带信号注入一条长约 6 米的蜿蜒金属条中，印在一块板上，上面装有密集的电子开关阵列，这些电子开关连接到储能电容器。然后同时触发所有开关，突然并均匀地使线路上的阻抗加倍。电磁特性的这种快速而巨大的变化产生了时间界面，测量信号忠实地携带了输入信号的时间反转副本。

实验表明，可以实现时间接口，产生宽带电磁波的有效时间反转和频率转换。这两种操作都为极端波浪控制提供了新的自由度。这一成就可以为无线通信中激动人心的应用和小型、低能耗、基于波的计算机的发展铺平道路。

“在以前的研究中，阻止时间反射的关键障碍是认为创建时间界面需要大量能量，”该论文的共同第一作者、纽约市立大学 ASRC 博士后研究员 Gengyu Xu 说。“很难足够快、均匀地改变介质的特性，并且与时间反射电磁信号有足够的对比，因为它们振荡得非常快。我们的想法是避免改变主体材料的属性，而是创建一种超材料，在这种超材料中可以通过快速开关突然添加或减去其他元素。”

“迄今为止，超材料的奇异电磁特性是通过以智能方式组合许多空间界面来设计的，”共同第一作者、纽约市立大学 ASRC 和纽约城市学院的研究生 Shixiong Yin 补充道。“我们的实验表明，可以将时间界面添加到组合中，从而扩展操纵波的自由度。我们还能够创建一个时间版本的谐振腔，可用于实现一种新型的电磁信号滤波技术。”

引入的超材料平台可以强大地结合多个时间接口，使电磁时间晶体和时间超材料成为可能。结合定制的空间界面，这一发现有可能为光子技术开辟新方向，以及增强和操纵波物质相互作用的新方法。

这项研究得到了空军科学研究办公室和西蒙斯基金会的部分支持。

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