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May 19, 2023

Dieser Spiegel kehrt die Art und Weise um, wie sich Licht in der Zeit bewegt

Licht kann von Spiegeln und Geräusche von Oberflächen reflektiert werden. Allerdings haben Wissenschaftler

Licht kann von Spiegeln und Geräusche von Oberflächen reflektiert werden. Wissenschaftler haben jedoch seit langem Theorien über Zeitreflexionen aufgestellt, bei denen ein Signal, das eine Zeitschnittstelle passiert, sich so verhält, als würde es sich in der Zeit rückwärts bewegen. Jetzt zeigt eine neue Studie erstmals Zeitreflexionen bei Lichtwellen. Diese Entdeckung könnte zu neuen, ungewöhnlichen Möglichkeiten zur Lichtsteuerung führen, beispielsweise zu photonischen Zeitkristallen, für potenzielle Anwendungen in der drahtlosen Kommunikation, Radartechnologien und photonischen Computern.

Eine Standardreflexion tritt auf, wenn ein Signal von einer Grenze im Raum abprallt. Im Gegensatz dazu können Zeitreflexionen auftreten, wenn das gesamte Medium, in dem sich eine Licht- oder Schallwelle ausbreitet, plötzlich und drastisch seine optischen oder klanglichen Eigenschaften ändert.

Bisher kannten Forscher keine Möglichkeit, die optischen Eigenschaften eines Materials schnell, stark und gleichmäßig genug zu ändern, um eine photonische Zeitschnittstelle zu schaffen, die Zeitreflexionen für elektromagnetische Wellen erzeugen könnte. Jetzt, nach sechs Jahrzehnten der Forschung, haben Wissenschaftler die erste derartige Zeitschnittstelle für Licht geschaffen.

Wenn eine Lichtwelle in die neue Zeitschnittstelle eintritt und das Gerät seine optischen Eigenschaften ändert, bewegt sich das Signal im Raum weiter. Allerdings wird das Signal umgekehrt – wenn es ein gesprochenes Wort wäre, würde es so klingen, als würde es rückwärts abgespielt. Im Gegensatz dazu würde bei einer herkömmlichen Reflexion eine Licht- oder Schallwelle zu ihrer Quelle zurückwandern, aber größtenteils genauso aussehen oder klingen wie vor der Reflexion.

Die Wissenschaftler führten photonische Zeitreflexionen mithilfe eines Metamaterials durch – einer Art Struktur, die so konstruiert wurde, dass sie Eigenschaften besitzt, die in der Natur normalerweise nicht zu finden sind, wie etwa die Fähigkeit, Licht auf unerwartete Weise zu biegen. Diese Arbeit hat zu Unsichtbarkeitsumhängen geführt, die Objekte vor Licht, Schall, Hitze und anderen Arten von Wellen verbergen können.

Optische Metamaterialien, die dazu dienen, Licht zu manipulieren, besitzen Strukturen mit sich wiederholenden Mustern in Maßstäben, die kleiner sind als die Wellenlängen des Lichts, die sie beeinflussen. In der neuen Studie sendeten die Forscher Funksignale in einen etwa sechs Meter langen, mäandrierenden Metallstreifen. An diesen Metallstreifen war eine Anordnung von 30 elektronischen Schaltern angeschlossen, von denen jeder mit einem Kondensator verbunden war.

Wenn diese Schalter im neuen Gerät gleichzeitig ausgelöst werden, verdoppelt sich die Impedanz des Streifens in etwa 3 Nanosekunden. Eine Zeitreflexion für Licht kann auftreten, wenn sich die optischen Eigenschaften eines Materials viel schneller ändern als die zeitlichen Schwankungen der beteiligten Signale, sagt Andrea Alù, leitende Autorin der Studie, Elektroingenieurin am Graduate Center der City University of New York.

Darüber hinaus können die neuen Zeitschnittstellen die Lichtsignale zeitlich strecken oder stauchen. Dies kann wiederum die Farbe dieser Signale abrupt ändern, bemerkt Alù.

Die Wissenschaftler zeigten auch, dass sie mehrere Zeitschnittstellen kombinieren können. In der resultierenden „zeitlichen Platte“ könnten sie dafür sorgen, dass sich die Signale gegenseitig stören. Dieses neuartige Gerät ist eine zeitliche Version der gängigen Fabry-Pérot-Filter, die in der Telekommunikation, bei Lasern und anderen Anwendungen zur Lichtsteuerung weit verbreitet sind.

Die Forscher vermuten, dass Zeitschnittstellen in der drahtlosen Kommunikation, in der Radartechnologie und in der optischen Datenverarbeitung Verwendung finden könnten. Diese Anwendungen kehren häufig die Reihenfolge der Signale um, um deren Verarbeitung zu erleichtern. Derzeit wird eine solche Zeitumkehr am häufigsten mit digitalen Mitteln durchgeführt, was jedoch einen Zeit-, Energie- und Speicherbedarf mit sich bringt. Im Gegensatz dazu können Zeitschnittstellen eine Zeitumkehr sehr schnell und mit wenig Energie ermöglichen, sagt Alù.

Darüber hinaus könnten die neuen Zeitschnittstellen Wissenschaftlern dabei helfen, exotische neue Wege zur Lichtsteuerung zu entwickeln, beispielsweise „photonische Zeitkristalle“. Ein normaler Kristall ist eine Struktur aus vielen Atomen, die in einem regelmäßigen Muster im Raum angeordnet sind, während ein herkömmlicher photonischer Kristall Merkmale aufweist, die kleiner sind als die Wellenlängen des Lichts, für die er entwickelt wurde. Zuvor haben Forscher auch Zeitkristalle entwickelt, in denen viele Teilchen in regelmäßige Bewegungsabläufe geordnet sind – Muster in der Zeit statt im Raum. Kürzlich haben Wissenschaftler photonische Zeitkristalle entwickelt, deren optische Eigenschaften sich im Laufe der Zeit regelmäßig ändern.

„Dadurch kann man eingehende Signale selektiv verstärken und ihre Ausbreitung auf höchst ungewöhnliche Weise steuern“, sagt Alù.

Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse online am 13. März in der Zeitschrift Nature Physics.