Nature Physics｜新型超材料可实现宽带电磁波时间反转和频率转换

研究人员在实验中成功地创建了一种“时间界面”，可以将电磁信号进行时间反转和频率转换。这项技术为极端情况下的电磁波控制提供了新的自由度，为无线通信和基于波的计算机等领域的发展提供了铺路石。

当我们看镜子时，反射图像是由电磁光波从镜面反射并产生空间反射的常见现象引起的。同样地，声波的空间反射会形成回声，将我们说话的内容按时间顺序回传给我们。此外，研究人员还预测存在一种与空间反射不同的时间反射。时间反射出现在当光波或声波在空间中的特定位置撞击边界（例如镜子或墙壁）时，并且波传播通过的介质突然改变其所有属性时。在这种情况下，波的一部分时间顺序会反转，其频率也会发生变化。

但迄今为止，由于材料的光学特性无法轻易地改变速度和幅度, 其是否会引起时间反射还缺乏证据，因此这种时间反射的现象从未在电磁波中被观察到。

近日，纽约市立大学的研究人员Andrea Alù的团队在实验上使用定制的超材料实现了电磁信号的时间反射。该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，相关成果发表于Nature Physics（www.doi.org/10.1038/s41567-023-01975-y）。

Alù表示, 定制的超材料设计能够感应并及时改变材料特性，从而突然实现一个具有反差的光学边界。因此, 实验上能够观测到这种违反直觉的时间反射现象,并研究时间反射波与空间反射波的行为的不同之处。

超材料中传输的大部分宽带信号瞬间发生时间反转和频率转换。这种效果不同于传统的回声，因为信号中时间上靠后的部分首先被反射。类似地，如果在镜子上会看到物体的倒影被翻转，并且会看到背面而不是正面。这种现象类似于声学上的回声乐句或倒带。

图 (a) 常规空间反射：照镜子时看到脸，或者在说话时回声以相同的时间顺序返回。 (b) 时间反射：照镜子时看到背影，不同的颜色，以相反的顺序听到回声。 (c) 用于实现时间反射的实验平台示意图。

研究人员还发现，由于宽带频率转换，时间反射信号的持续时间被拉长了。从结果上看，如果光信号是可见的，它们的颜色会突然改变，例如红色变成绿色，橙色变成蓝色，黄色变成紫色。

在这项研究中，研究人员首先设计超材料，将宽带信号注入一块长约6米的印制在一块板的上弯曲金属条。板上还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。所有开关同时触发时，能够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反射界面，测量信号就携带了输入信号的时间反转信息。

实验表明，使用超材料可以实现有效的时间接口，产生宽带电磁波的有效时间反转和频率转换，为极端情况下的波传播控制提供了新的自由度。这一成就可能为无线通信，小型、低能耗、基于波的计算机的发展铺平道路。

研究员Gengyu Xu表示，在以前的研究中，阻碍时间反射的关键障碍一方面是人们普遍认为创建时间界面需要大量能量；另一方面是很难足够快、均匀地改变介质的特性，且使变化与快速振荡的时间反射电磁信号对比度足够高。

绕开这个难题，研究人员创造了一种超材料，其可以快速切换突然添加或减去额外的元素，而无需改变主体材料的属性。这种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。

另外，研究人员还创建了一个时间版本的谐振腔，其可用于实现一种新型的电磁信号过滤技术。

将这种定制的时间界面与空间界面结合，本研究将为光子技术开辟新的方向，以及增强和操纵电磁波与物质相互作用的新方法。