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| Una señal de control (en verde) activa un conjunto de interruptores a lo largo de una tira metálica. La impedancia electromagnética del metamaterial cambia bruscamente, provocando que una señal que se propaga hacia delante (en azul) se refleje parcialmente en el tiempo (en rojo), con todas sus frecuencias convertidas. (Andrea Alu) |
En un nuevo estudio, científicos del Centro de Investigación Científica Avanzada del CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) detallan un experimento revolucionario en el que pudieron observar reflexiones temporales de señales electromagnéticas en un metamaterial a medida.
Observaron la reflexión fotónica del tiempo y la traslación de frecuencia de banda ancha asociada en un metamaterial de línea de transmisión conmutada cuya capacitancia efectiva se modifica homogénea y bruscamente mediante una matriz sincronizada de conmutadores.
El espejo es un reflejo. Estamos acostumbrados a ver nuestra cara cuando nos miramos en un espejo. El frecuente fenómeno conocido como reflexión espacial está causado por las ondas electromagnéticas de la luz que rebotan en la superficie espejada para formar las imágenes reflejadas.
Durante más de 60 años, los investigadores han especulado con la posibilidad de presenciar reflejos temporales, o del tiempo, un tipo diferente de reflexión de ondas. Las reflexiones temporales se producen cuando todo el medio por el que fluye la onda cambia rápida y bruscamente sus propiedades en todo el espacio, a diferencia de las reflexiones espaciales, que se producen cuando las ondas de luz o sonido entran en contacto con un límite, como un espejo o una pared, en una posición concreta del espacio. Un componente de onda se invierte en el tiempo, cambiando su frecuencia durante un evento de este tipo.
Hasta la fecha, este fenómeno nunca se ha observado en las ondas electromagnéticas. La razón fundamental de esta falta de pruebas es que las propiedades ópticas de un material no pueden modificarse fácilmente a una velocidad y magnitud que induzcan reflexiones temporales.
El autor correspondiente del artículo, Andrea Alù, catedrático distinguido de Física del Centro de Postgrado de la Universidad de la Ciudad de Nueva York y director fundador de la Iniciativa Fotónica ASRC de CUNY, afirma: "Ha sido emocionante ver esto por lo mucho que hace que se predijo este fenómeno contraintuitivo, y por lo diferentes que se comportan las ondas reflejadas en el tiempo en comparación con las reflejadas en el espacio".
"Utilizando un sofisticado diseño de metamaterial, logramos las condiciones para cambiar las propiedades del material en el tiempo de forma abrupta y con un gran contraste".
Gracias a este logro, una fracción considerable de las señales de banda ancha que se mueven a través del metamaterial se desplazaron instantáneamente en el tiempo y la frecuencia. El resultado crea un extraño eco en el que la parte final de la señal se refleja primero. Por eso, si te miraras en un espejo temporal, tu imagen se invertiría, mostrando tu espalda en lugar de tu cara. El equivalente acústico de esta observación produciría un sonido parecido al que se produce cuando se da cuerda a una cinta.
Los investigadores también demostraron que la conversión de frecuencias de banda ancha provocaba la prolongación de la duración de las señales reflejadas en el tiempo. Como resultado, todos los matices de las señales luminosas cambiarían bruscamente si fueran visibles a nuestros ojos, convirtiendo el rojo en verde, el naranja en azul y el amarillo en violeta.
Para este experimento, los científicos utilizaron metamateriales de ingeniería. Colocaron un denso conjunto de interruptores eléctricos conectados a condensadores de reserva en una tira metálica serpenteante de unos 6 metros de longitud, e introdujeron en ella señales de banda ancha.
A continuación, la impedancia a lo largo de la línea se duplicó de forma abrupta y uniforme debido a la activación simultánea de todos los interruptores. Este cambio brusco y significativo de las características electromagnéticas creó una interfaz temporal, y las señales medidas transmitían fielmente una réplica invertida en el tiempo de las señales entrantes.
El experimento demostró que es posible crear una interfaz temporal invirtiendo con éxito el tiempo y alterando la frecuencia de las ondas electromagnéticas de banda ancha. Estas dos técnicas proporcionan nuevos grados de libertad para el control más extremo de las ondas. El logro puede abrir la puerta a usos innovadores de las comunicaciones inalámbricas y a la creación de ordenadores compactos de bajo consumo basados en ondas.
Gengyu Xu, co-primer autor del trabajo e investigador postdoctoral en el ASRC de CUNY, declaró: "El principal obstáculo que impedía las reflexiones temporales en estudios anteriores era la creencia de que se necesitarían grandes cantidades de energía para crear una interfaz temporal. Es muy difícil cambiar las propiedades de un medio con la suficiente rapidez, uniformidad y contraste para reflejar en el tiempo las señales electromagnéticas, porque oscilan muy deprisa. Nuestra idea era evitar cambiar las propiedades del material huésped y crear en su lugar un metamaterial en el que se pudieran añadir o sustraer elementos adicionales de forma abrupta mediante interruptores rápidos".
El co-primer autor Shixiong Yin, estudiante de posgrado en CUNY ASRC y The City College of New York, dijo: "Las exóticas propiedades electromagnéticas de los metamateriales se han diseñado hasta ahora combinando de forma inteligente muchas interfaces espaciales. Nuestro experimento demuestra que es posible añadir interfaces temporales a la mezcla, ampliando los grados de libertad para manipular las ondas. También hemos sido capaces de crear una versión temporal de una cavidad resonante, que puede utilizarse para realizar una nueva forma de tecnología de filtrado de señales electromagnéticas".
Con la ayuda de la plataforma de metamateriales recién desarrollada, se hacen posibles los cristales de tiempo electromagnéticos y los metamateriales de tiempo. El descubrimiento tiene el potencial de abrir nuevas posibilidades para las tecnologías fotónicas y nuevas formas de mejorar y manipular las interacciones onda-materia cuando se combinan con interfaces espaciales personalizadas.
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