Se observa reflexión temporal en ondas tras décadas de búsqueda

Una señal de control (verde) activa interruptores en una tira metálica. La impedancia del metamaterial cambia bruscamente, provocando que una señal que se propaga hacia delante (azul) se refleje en el tiempo (rojo) con todas sus frecuencias convertidas - ANDREA ALU

MADRID, 13 8EUROPA PRESS)

   Los científicos llevan más de seis décadas barajando la posibilidad de observar una forma de reflexión de ondas conocida como reflexión temporal.

   Ahora investigadores del Centro de Investigación Científica Avanzada del CUNY Graduate Center (CUNY ASRC), en Estados Unidos, publican en la revista 'Nature Physics' un experimento revolucionario en el que pudieron observar reflexiones temporales de señales electromagnéticas en un metamaterial hecho a medida.

   Cuando nos miramos en un espejo las imágenes reflejadas son producidas por ondas electromagnéticas de luz que rebotan en la superficie del espejo, creando el fenómeno común llamado reflexión espacial. Del mismo modo, las reflexiones espaciales de las ondas sonoras forman ecos que nos devuelven nuestras palabras en el mismo orden en que las pronunciamos.

   A diferencia de las reflexiones espaciales, que se producen cuando las ondas de luz o sonido chocan contra un límite, como un espejo o una pared, en un lugar concreto del espacio, las reflexiones temporales se producen cuando todo el medio en el que viaja la onda cambia repentina y bruscamente sus propiedades en todo el espacio. En ese momento, una parte de la onda se invierte en el tiempo y su frecuencia se convierte en una nueva frecuencia.

   Hasta la fecha, nunca se había observado este fenómeno 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.

   Ahora, el nuevo experimento pionero ha permitido observar reflexiones temporales de señales electromagnéticas en un metamaterial hecho a medida.

   "Ha sido realmente emocionante observar este fenómeno, porque hace mucho tiempo 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 --reconoce en un comunicado Andrea Alù, autor del artículo, catedrático de Física del Centro de Postgrado de la Universidad de Nueva York y director fundador de la Iniciativa Fotónica del ASRC de CUNY--. Utilizando un sofisticado diseño de metamaterial, pudimos realizar las condiciones para cambiar las propiedades del material en el tiempo tanto abruptamente como con un gran contraste".

   Esta proeza hizo que una parte significativa de las señales de banda ancha que viajan por el metamaterial se invirtieran instantáneamente en el tiempo y se convirtieran en frecuencia. El efecto forma un extraño eco en el que la última parte de la señal se refleja primero. Como resultado, si nos miráramos en un espejo temporal, nuestro reflejo se invertiría y veríamos nuestra espalda en lugar de nuestra cara. En la versión acústica de esta observación, oiría un sonido similar al que se emite durante el rebobinado de una cinta.

   Los investigadores también demostraron que la duración de las señales reflejadas en el tiempo se alargaba en el tiempo debido a la conversión de frecuencia de banda ancha. Como resultado, si las señales luminosas fueran visibles a nuestros ojos, todos sus colores se transformarían bruscamente, de forma que el rojo se convertiría en verde, el naranja en azul y el amarillo en violeta.

   Para lograr su avance, los investigadores utilizaron metamateriales artificiales. Inyectaron señales de banda ancha en una tira serpenteante de metal de unos 6 metros de largo, impresa en una placa y cargada con un denso conjunto de interruptores electrónicos conectados a condensadores de reserva.

   A continuación, todos los interruptores se activaron al mismo tiempo, duplicando repentina y uniformemente la impedancia a lo largo de la línea. Este rápido y gran cambio en las propiedades electromagnéticas producía una interfaz temporal, y las señales medidas transportaban fielmente una copia invertida en el tiempo de las señales entrantes.

   El experimento demostró que es posible realizar una interfaz temporal, produciendo una inversión temporal y una transformación de frecuencia eficaces de las ondas electromagnéticas de banda ancha. Ambas operaciones ofrecen nuevos grados de libertad para el control extremo de las ondas. Este logro puede allanar el camino a interesantes aplicaciones en comunicaciones inalámbricas y al desarrollo de pequeños ordenadores basados en ondas de bajo consumo energético.

   "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", explica Gengyu Xu, coautor del artículo e investigador postdoctoral en el ASRC de CUNY.

   "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 rápido --prosigue--. Nuestra idea era evitar cambiar las propiedades del material anfitrión y, en su lugar, crear un metamaterial en el que se pudieran añadir o sustraer elementos adicionales de forma abrupta mediante interruptores rápidos".

   El coprimer autor Shixiong Yin, estudiante de posgrado en CUNY ASRC y en The City College of New York, señala que "las exóticas propiedades electromagnéticas de los metamateriales se han conseguido 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 --subraya--. También hemos podido crear una versión temporal de una cavidad resonante, que puede utilizarse para realizar una nueva forma de tecnología de filtrado de señales electromagnéticas".

   La plataforma de metamateriales introducida puede combinar poderosamente múltiples interfaces temporales, lo que permite crear cristales temporales electromagnéticos y metamateriales temporales. Combinado con interfaces espaciales a medida, el descubrimiento ofrece la posibilidad de abrir nuevos caminos para las tecnologías fotónicas y nuevas formas de mejorar y manipular las interacciones entre ondas y materia.