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May 19, 2023

Este espejo invierte cómo viaja la luz en el tiempo

La luz puede reflejarse en los espejos y los sonidos en las superficies. Sin embargo, los científicos han

La luz puede reflejarse en los espejos y los sonidos en las superficies. Sin embargo, los científicos han teorizado durante mucho tiempo sobre los reflejos del tiempo, donde una señal que pasa a través de una "interfaz" de tiempo actuaría como si viajara hacia atrás en el tiempo. Ahora, un nuevo estudio demuestra por primera vez los reflejos del tiempo con ondas de luz. Este descubrimiento podría dar lugar a formas nuevas e inusuales de controlar la luz, como los cristales de tiempo fotónicos, para aplicaciones potenciales en comunicaciones inalámbricas, tecnologías de radar y computación fotónica.

Una reflexión estándar ocurre cuando una señal rebota en un límite en el espacio. En contraste, los reflejos de tiempo pueden ocurrir cuando todo el medio en el que viaja una onda de luz o sonido cambia repentinamente y drásticamente sus propiedades ópticas o sónicas.

Anteriormente, los investigadores no conocían ninguna forma de cambiar las propiedades ópticas de un material de una manera lo suficientemente rápida, fuerte y uniforme para crear una interfaz de tiempo fotónico que pudiera generar reflejos de tiempo para las ondas electromagnéticas. Ahora, después de seis décadas de investigación, los científicos han creado la primera interfaz de tiempo de este tipo para la luz.

Cuando una onda de luz ingresa a la nueva interfaz de tiempo y el dispositivo cambia sus propiedades ópticas, la señal sigue avanzando en el espacio. Sin embargo, la señal se invierte: si fuera una palabra hablada, sonaría como si se estuviera reproduciendo al revés. En contraste, con un reflejo convencional, una onda de luz o sonido viajaría de regreso a su fuente pero en su mayoría se vería o sonaría igual que antes del reflejo.

Los científicos lograron reflexiones de tiempo fotónico utilizando un metamaterial, un tipo de estructura diseñada para poseer características que generalmente no se encuentran en la naturaleza, como la capacidad de curvar la luz de formas inesperadas. Este trabajo ha dado lugar a capas de invisibilidad que pueden ocultar objetos de la luz, el sonido, el calor y otros tipos de ondas.

Los metamateriales ópticos, que están diseñados para manipular la luz, poseen estructuras con patrones repetitivos a escalas que son más pequeñas que las longitudes de onda de la luz en las que influyen. En el nuevo estudio, los investigadores transmitieron señales de radio a una tira serpenteante de metal de unos 6 metros de largo. Una matriz de 30 interruptores electrónicos, cada uno vinculado a un condensador, se conectó a esta tira de metal.

Cuando estos interruptores en el nuevo dispositivo se activan al mismo tiempo, la impedancia de la tira se duplica en aproximadamente 3 nanosegundos. Puede ocurrir un reflejo temporal de la luz si las propiedades ópticas de un material cambian mucho más rápido que las variaciones en el tiempo de las señales involucradas, dice la autora principal del estudio, Andrea Alù, ingeniera eléctrica del Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York.

Además, las nuevas interfaces de tiempo pueden estirar o comprimir las señales de luz en el tiempo. Esto, a su vez, puede cambiar abruptamente el color de estas señales, señala Alù.

Los científicos también demostraron que podían combinar múltiples interfaces de tiempo. En la "losa temporal" resultante, podrían hacer que las señales interfirieran entre sí. Este novedoso dispositivo es una versión temporal de los comunes filtros Fabry-Pérot ampliamente utilizados en telecomunicaciones, láseres y otras aplicaciones para controlar la luz.

Los investigadores sugieren que las interfaces de tiempo pueden encontrar uso en comunicaciones inalámbricas, tecnologías de radar y computación óptica. Estas aplicaciones a menudo invierten el orden de las señales para ayudar a procesarlas. Actualmente, la forma más común de realizar dicha inversión de tiempo es a través de medios digitales, pero esto genera demandas de tiempo, energía y memoria. Por el contrario, las interfaces de tiempo pueden permitir la reversión del tiempo muy rápidamente y con poca energía, dice Alù.

Además, las nuevas interfaces de tiempo pueden ayudar a los científicos a desarrollar formas nuevas y exóticas de controlar la luz, como los "cristales de tiempo fotónicos". Un cristal normal es una estructura de muchos átomos dispuestos en un patrón regular en el espacio, mientras que un cristal fotónico convencional posee características más pequeñas que las longitudes de onda de luz para las que está diseñado. Anteriormente, los investigadores también desarrollaron cristales de tiempo, en los que muchas partículas se ordenan en series regulares de movimientos, patrones en el tiempo en lugar del espacio. Recientemente, los científicos han desarrollado cristales de tiempo fotónicos, en los que las propiedades ópticas varían regularmente con el tiempo.

"Como resultado, uno puede amplificar selectivamente las señales entrantes y controlar, de formas muy inusuales, su propagación", dice Alù.

Los científicos detallaron sus hallazgos en línea el 13 de marzo en la revista Nature Physics.