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Oct 19, 2023

Ce miroir inverse la façon dont la lumière voyage dans le temps

La lumière peut se refléter sur les miroirs et les sons sur les surfaces. Cependant, les scientifiques ont

La lumière peut se refléter sur les miroirs et les sons sur les surfaces. Cependant, les scientifiques ont longtemps théorisé sur les réflexions temporelles, où un signal traversant une "interface" temporelle agirait comme s'il voyageait dans le temps. Maintenant, une nouvelle étude démontre pour la première fois des réflexions temporelles avec des ondes lumineuses. Cette découverte pourrait conduire à de nouvelles façons inhabituelles de contrôler la lumière, telles que les cristaux temporels photoniques, pour des applications potentielles dans les communications sans fil, les technologies radar et l'informatique photonique.

Une réflexion standard se produit lorsqu'un signal rebondit sur une frontière dans l'espace. En revanche, les réflexions temporelles peuvent se produire lorsque l'ensemble du milieu dans lequel une onde lumineuse ou sonore se déplace change soudainement et radicalement ses propriétés optiques ou sonores.

Auparavant, les chercheurs ne connaissaient aucun moyen de modifier les propriétés optiques d'un matériau de manière suffisamment rapide, puissante et uniforme pour créer une interface temporelle photonique susceptible de générer des réflexions temporelles pour les ondes électromagnétiques. Aujourd'hui, après six décennies de recherche, les scientifiques ont créé la première interface temporelle de ce type pour la lumière.

Lorsqu'une onde lumineuse pénètre dans la nouvelle interface temporelle et que l'appareil modifie ses propriétés optiques, le signal continue d'avancer dans l'espace. Cependant, le signal est inversé - s'il s'agissait d'un mot parlé, il sonnerait comme s'il était joué à l'envers. En revanche, avec une réflexion conventionnelle, une onde lumineuse ou sonore reviendrait à sa source mais ressemblerait ou sonnerait principalement comme avant la réflexion.

Les scientifiques ont réalisé des réflexions temporelles photoniques à l'aide d'un métamatériau, une sorte de structure conçue pour posséder des caractéristiques que l'on ne trouve généralement pas dans la nature, comme la capacité de plier la lumière de manière inattendue. Un tel travail a conduit à des capes d'invisibilité qui peuvent cacher des objets de la lumière, du son, de la chaleur et d'autres types d'ondes.

Les métamatériaux optiques, qui sont conçus pour manipuler la lumière, possèdent des structures avec des motifs répétitifs à des échelles plus petites que les longueurs d'onde de la lumière qu'ils influencent. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont transmis des signaux radio dans une bande de métal sinueuse d'environ 6 mètres de long. Un réseau de 30 interrupteurs électroniques, chacun relié à un condensateur, était connecté à cette bande métallique.

Lorsque ces commutateurs du nouveau dispositif sont déclenchés en même temps, l'impédance de la bande double en environ 3 nanosecondes. Une réflexion temporelle de la lumière peut se produire si les propriétés optiques d'un matériau changent beaucoup plus rapidement que les variations temporelles des signaux impliqués, explique l'auteur principal de l'étude, Andrea Alù, ingénieur électricien au Graduate Center de la City University of New York.

De plus, les nouvelles interfaces temporelles peuvent étirer ou comprimer les signaux lumineux dans le temps. Cela peut à son tour changer brusquement la couleur de ces signaux, note Alù.

Les scientifiques ont également montré qu'ils pouvaient combiner plusieurs interfaces temporelles. Dans la "dalle temporelle" résultante, ils pourraient faire interférer les signaux les uns avec les autres. Ce nouveau dispositif est une version temporelle des filtres Fabry-Pérot courants largement utilisés dans les télécommunications, les lasers et d'autres applications pour contrôler la lumière.

Les chercheurs suggèrent que les interfaces temporelles pourraient être utilisées dans les communications sans fil, les technologies radar et l'informatique optique. Ces applications inversent souvent l'ordre des signaux pour faciliter leur traitement. Actuellement, la manière la plus courante d'effectuer une telle inversion du temps est par des moyens numériques, mais cela entraîne des demandes de temps, d'énergie et de mémoire. En revanche, les interfaces temporelles peuvent permettre une inversion du temps très rapidement et avec peu d'énergie, explique Alù.

De plus, les nouvelles interfaces temporelles peuvent aider les scientifiques à développer de nouvelles façons exotiques de contrôler la lumière, telles que les "cristaux temporels photoniques". Un cristal normal est une structure de nombreux atomes disposés selon un motif régulier dans l'espace, alors qu'un cristal photonique conventionnel possède des caractéristiques plus petites que les longueurs d'onde de la lumière qu'il est conçu pour traiter. Auparavant, les chercheurs ont également développé des cristaux de temps, dans lesquels de nombreuses particules sont ordonnées en séries régulières de mouvements - des modèles dans le temps plutôt que dans l'espace. Récemment, des scientifiques ont mis au point des cristaux temporels photoniques, dont les propriétés optiques varient régulièrement dans le temps.

"En conséquence, on peut amplifier sélectivement les signaux entrants et contrôler, de manière très inhabituelle, leur propagation", explique Alù.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 13 mars dans la revue Nature Physics.