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物理学者がついに「時間反射」の観測に成功

光の「反射」という現象については、鏡の前に立てば直感的に分かるもので今更説明の必要もないものだ。光は鏡に衝突すれば、ボールが壁に跳ね返るように、空間上を新たな経路を通って移動する。

だが、物理学者は三次元空間ではなく、時間の中で起こる「反射」についてもあり得る物として考えていた

ニューヨーク市立大学先端科学研究センター(CUNY ASRC)の研究者の研究者は、「時間反射」の理論を実用化し、調整されたメタマテリアルで電磁信号の時間反射を観察するという画期的な実験を行った事を報告している。

“時間反射”と“空間反射”

鏡に映る光は、電磁波が鏡面に反射して起こるもので、空間反射と呼ばれる一般的な現象が起こる。同様に、音波は空間的に反射して反響を起こし、私たちの言葉を話した順番に私たちに伝えてくれる。

今から60年以上前、科学者たちは、「時間反射」と呼ばれる別の形の波の反射を観察できる可能性を最初に考え出した。

光や音が適切な境界線に当たって起こる空間反射とは異なり、時間反射は、波が伝わる媒体全体が、空間全体にわたって突然その性質を変化させることで起こる。このとき、その波の一部が時間反転し、その周波数が新しいものに変換されるのだ。

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(a) 従来の空間反射。鏡を見て自分の顔を見たり、しゃべると同じ順番で反響が返ってくる。(b) 時間反射。鏡を見たときに自分の背中が見え、また、自分の色が違って見える。テープの巻き戻しのように、自分のエコーが逆順で聞こえてくる。 (Credit: Andrea Alu)

電磁波では、物質の光学的性質を時間反射を起こすのに必要な速度と大きさで簡単に変えることができないため、この現象はこれまで観察されたことがなかった。

このたび、CUNY ASRCの科学者チームが、電磁波の時間反射を観測することに成功したことが、『Nature Physics』誌に発表された。

「これは、この直感に反する現象が、どれくらい前に予測されていたのか、本当にエキサイティングな出来事でした。洗練されたメタマテリアル設計を用いて、我々は、材料の特性を時間的に変化させる条件を、急激かつ大きなコントラストで実現することができました」と、CUNY ASRC Photonics Initiativeの創設ディレクターである対応著者Andrea Alù氏は、プレスリリースで説明している。

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(c) 時間反射を実現するために使用した実験プラットフォームの図。制御信号(緑色)を使って、金属ストリップラインに沿って配置された一連のスイッチを一様に作動させることができる。スイッチを閉じたり開いたりすると、この調整されたメタマテリアルの電磁インピーダンスが急激に減少/増加し、広帯域の順方向伝搬信号(青)が部分的に時間反射され、そのすべての周波数が変換される(赤) (Credit: Andrea Alu)

研究者らは、メタマテリアルを伝わる広帯域信号の大部分を瞬時に時間反転させ、周波数も変化させることに成功した。

メタマテリアルは、自然界には存在しない人工的な構造物だ。特定の目的のためにユニークな特性を持つように設計されており、構造的、音響的、光学的に異なるニーズに合わせて作られている。

長さ6メートルほどの蛇行した金属片に、広帯域の信号を注入するのである。基板に印刷されたこの帯には、リザーバーコンデンサーに連なる電子スイッチが密集している。実験では、すべてのスイッチを同時に作動させた。

時間反射が可能なメタマテリアルを発見したことで、エンジニアは光を操るための全く新しいツールを手に入れたことになる。

「メタマテリアルのエキゾチックな電磁気特性は、これまで多くの空間的な界面を賢く組み合わせることで実現されてきました」と、この研究の主執筆者の一人である物理学者Shixiong Yinは述べている。

「我々の実験は、時間インタフェースをミックスに加え、波を操作する自由度を拡張することが可能であることを示しています」。


論文

参考文献

研究の要旨

時間反射とは、信号の時間発展が一様に反転することであり、ホスト材料の特性の急激な変化が空間的に一様に起こる場合に発生する。このような時間界面では、入力信号の一部が時間反転し、その周波数スペクトルは運動量が保存されたまま均質に変換され、空間界面の時間的対偶を形成する。時間メタマテリアルやフローケ物質を形成する時間界面の組み合わせは、複数の時間反射の干渉を利用し、時間を追加の自由度として活用した極端な波動操作を可能にする。ここでは、同期化されたスイッチの配列によって実効容量が均質かつ急激に変化するスイッチ伝送線路メタマテリアルにおいて、光時間反射とそれに伴う広帯域周波数変換を観測したことを報告する。一対の時間的インタフェースを組み合わせることで、時間反射による波の干渉を示し、ファブリーペロ空洞の時間的対極を実現した。この成果は、時間メタマテリアルやフローケ・フォトニック・クリスタルを実現するための基礎的な構成要素であり、空間と時間における極端な光子操作の可能性を示している。

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