Учени създават "процепи във времето" в завладяващ експеримент

Н ово изследване на дифракцията изпраща лазери през "процепи във времето" в новаторски подход към класическия експеримент с двойния процеп, съобщава Livescience.

Този експеримент е разновидност на 220-годишна демонстрация, при която светлината преминава през два процепа в екран, за да създаде уникална дифракционна картина в пространството, при която върховете и спадовете на светлинната вълна се събират или отменят. В новия експеримент изследователите създават подобен модел във времето, като по същество променят цвета на ултракъс лазерен импулс.

Откритията проправят пътя за напредък в аналоговите компютри, които манипулират данни, отпечатани върху светлинни лъчи, вместо върху цифрови битове - това може дори да накара тези компютри да се "учат" от данните. Те също така задълбочават разбирането ни за фундаменталната природа на светлината и взаимодействието ѝ с материалите. 

За новото изследване, описано на 3 април в списание Nature Physics (отваря се в нов раздел), изследователите използват индиево-калаен оксид (ITO) - материалът, който се намира в повечето екрани на телефони. Учените вече знаеха, че ITO може да се променя от прозрачен в отразяващ в отговор на светлината, но изследователите установиха, че това се случва много по-бързо, отколкото се смяташе досега - за по-малко от 10 фемтосекунди (10 милионни части от милиардната част от секундата). 

"Това беше много голяма изненада и в началото беше нещо, което не можехме да си обясним", казва пред Live Science водещият автор на изследването Рикардо Сапиенца(opens in new tab), физик от Имперския колеж в Лондон. В крайна сметка изследователите разбрали защо реакцията се е случила толкова бързо, като разгледали внимателно теорията за това как електроните в ITO реагират на падащата светлина.  "Но ни отне много време, за да го разберем."

Scientists create 'slits in time' in mind-bending physics experiment.https://t.co/bc0E4pMXr4
Double-slit time diffraction at optical frequencieshttps://t.co/yo2wb3Gzko pic.twitter.com/Ua0MkMnv2e

— Space Princess (@space_ange) April 11, 2023

Замяна на времето с пространство

През 1801 г. английският учен Томас Йънг за първи път демонстрира вълновата природа на светлината с помощта на станалия вече класически експеримент с "двоен процеп". Когато светлината блести върху екран с два процепа, вълните променят посоката си, така че вълните, излизащи от единия процеп, се припокриват с вълните, идващи през другия. Върховете и спадовете на тези вълни или се сумират, или се анулират, създавайки светли и тъмни ресни, наречени интерференчна картина. 

В новото изследване Сапиенца и колегите му пресъздават такава интерференчна картина във времето, като облъчват с лазерен импулс "помпа" екран, покрит с ITO. Въпреки че първоначално ITO е бил прозрачен, светлината от лазера е променила свойствата на електроните в материала, така че ITO е отразявал светлината като огледало. Следващият лазерен лъч на "сондата", попадащ върху екрана на ITO, ще види тази временна промяна в оптичните свойства като процеп във времето с дължина само неколкостотин фемтосекунди. Използването на втори помпен лазерен импулс накара материала да се държи така, сякаш има два процепа във времето - аналог на преминаването на светлината през пространствени двойни процепи.  

Докато при преминаването през обикновените пространствени процепи светлината променя посоката си и се разсейва, при преминаването през тези двойни "процепи във времето" тя променя честотата си, която е обратно пропорционална на дължината на вълната. Именно дължината на вълната на видимата светлина определя нейния цвят. 

В новия експеримент интерференчният модел се проявява като ресни или допълнителни върхове в честотните спектри, които представляват графики на измерената интензивност на светлината при различни честоти. Точно както промяната на разстоянието между пространствените процепи променя получената картина, изоставането между времевите процепи диктува разстоянието между интерференчните ресни в честотните спектри. А броят на ресните в тези модели, които са видими, преди амплитудата им да намалее до нивото на фоновия шум, разкрива колко бързо се променят свойствата на ITO; материалите с по-бавни реакции дават по-малко откриваеми интерференчни ресни.

Това не е първият случай, в който учените измислят как да манипулират светлината във времето, а не в пространството. Например учени от Google твърдят, че техният квантов компютър "Sycamore" е създал времеви кристал - нова фаза на материята, която се променя периодично във времето, за разлика от атомите, които са подредени в периодичен модел в пространството. 

Андреа Алу (отваря се в нов раздел), физик от Градския университет в Ню Йорк, който не е участвал в тези експерименти, но е правил отделни експерименти, които са създавали отражения на светлина във времето, ги описва като още една "чиста демонстрация" на това как времето и пространството могат да бъдат взаимнозаменяеми. 

"Най-забележителният аспект на експеримента е, че той демонстрира как можем да променим пропускливостта [която определя доколко един материал пропуска или отразява светлината] на този материал (ITO) много бързо и със значителна стойност", каза Алу по електронната поща за Live Science. "Това потвърждава, че този материал може да бъде идеален кандидат за демонстрация на времеви отражения и времеви кристали."

Изследователите се надяват да използват тези явления, за да създадат метаматериали или структури, предназначени да променят пътя на светлината по специфични и често сложни начини. 

Досега тези метаматериали са били статични, което означава, че промяната на начина, по който той влияе на пътя на светлината, изисква използването на изцяло нова структура - например нов аналогов компютър за всеки различен вид изчисления, казва Сапиенца. 

"Сега разполагаме с материал, който можем да преконфигурираме, което означава, че можем да го използваме за повече от една цел", каза Сапиенца. Той допълни, че подобна технология може да даде възможност за работа на компютри, които имитират мозъка.