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Dec 08, 2023

Photonen prallen aufeinander – auf einem Zeitspiegel

Normalerweise passieren elektromagnetische Wellen einander unsichtbar und ungestört. Es ist keine leichte Aufgabe, Lichtstrahlen dazu zu bringen, einander wahrzunehmen. Typischerweise müssen Wissenschaftler sie dazu überreden, über zu interagieren

Normalerweise passieren elektromagnetische Wellen einander unsichtbar und ungestört. Es ist keine leichte Aufgabe, Lichtstrahlen dazu zu bringen, einander wahrzunehmen. Typischerweise müssen Wissenschaftler sie über komplexe Materialien zur Interaktion überreden. Jetzt haben Physiker am Advanced Science Research Center der City University of New York (CUNY) eine grundlegend neue Methode entwickelt, um Lichtstrahlen miteinander kollidieren zu lassen – indem sie beide zeitlich auf demselben Spiegel reflektieren. Durch die Steuerung von Licht mit Licht demonstrierte das Team auch die Strahlformungsfähigkeiten seiner Technik mit möglichen Anwendungen in der Telekommunikation und wissenschaftlichen Messung.

Das Team demonstrierte seine Zeitspiegel-Technologie bereits im März, aber jetzt haben sie gezeigt, dass zwei entgegengesetzte Lichtimpulse, die auf denselben Zeitspiegel treffen, dazu gebracht werden können, miteinander zu kollidieren, ähnlich wie bei massiven Objekten. Darüber hinaus können die Forscher die Art der Kollision steuern. Die Lichtimpulse, berichten die Forscher, können elastisch kollidieren, wie zwei Billardkugeln, die aneinander abprallen; unelastisch, als würden zwei Stücke Silly Putty aufeinander schlagen und zusammenkleben; oder konstruktiv, wie zwei Kugeln mit federbelastetem Mechanismus, die durch den Zusammenstoß ausgelöst werden und schneller auseinanderschießen, als sie zusammenkommen.

„Sie können entscheiden, ob die Gesamtenergie im System abnimmt, zunimmt oder gleich bleibt.“ – Andrea Alù, CUNY

„Wir nennen sie Photonenkollisionen, weil sie uns daran erinnern, wie zwei massive Objekte interagieren, wenn sie aufeinander stoßen“, sagt Andrea Alù, angesehene Professorin für Physik an der CUNY und leitende Autorin der Studie. „Das Bemerkenswerte an dieser Zeitschnittstelle ist, dass man, wenn man den Zeitpunkt wählt, in dem man es antreibt, entscheiden kann, ob die Gesamtenergie im System abnimmt, zunimmt oder gleich bleibt.“

Um ihren Zeitspiegel zu erstellen, verwendete das Team ein speziell entwickeltes Metamaterial. Ein regelmäßiger Spiegel entsteht durch eine abrupte Änderung des Brechungsindex zwischen zwei Materialien, wodurch Licht an der Grenzfläche reflektiert wird. In ähnlicher Weise entsteht ein Zeitspiegel durch eine abrupte Änderung des Brechungsindex – allerdings im Laufe der Zeit. Zeitreflektiertes Licht bewegt sich immer noch in die gleiche Richtung, aber rückwärts – wie eine umgekehrt abgespielte Tonaufnahme.

Dieser Metamaterial-Chip ist in der Lage, einen Zeitspiegel für die durch ihn wandernden Lichtwellen zu erzeugen, sodass zwei Lichtwellen aufeinanderprallen können. Shawn Rhea/CUNY Advanced Science Research Center

Diesen Zeitspiegel erreichten die Forscher mithilfe einer 6 Meter langen, mäandernden Übertragungsleitung, die auf einen Chip gedruckt war. Sie schlossen alle 20 Zentimeter viele Schalter und Kondensatoren zwischen der Übertragungsleitung und der Erde an, näher beieinander als eine Wellenlänge des Lichts. Durch Ein- und Ausschalten dieser Kondensatoren könnten sie den Brechungsindex im Material innerhalb von nur drei Nanosekunden ändern. „Plötzlich fühlt sich die Welle an, als wäre sie in einem völlig anderen Medium“, sagt Alù.

Sie schickten von beiden Enden der Übertragungsleitung Lichtimpulse aufeinander zu und änderten den Brechungsindex zu verschiedenen Zeitpunkten. Durch die Änderung der Überlappung der beiden Lichtstrahlen während des Wechsels konnte die Art der Kollision verändert werden – elastisch, unelastisch oder konstruktiv.

Darüber hinaus konnten die Forscher durch die Wahl der Form eines der Lichtstrahlen und des Zeitpunkts des Schalters den anderen Strahl effektiv an ihre Bedürfnisse anpassen. Sie demonstrierten das Löschen eines Abschnitts eines Lichtsignals und das Verkürzen eines Impulses. Da die Zeitschnittstelle für einen großen Frequenzbereich funktioniert, kann diese Methode zur Formung breitbandigen Lichts verwendet werden; Es ist sehr nützlich für die drahtlose Kommunikation. Die Fähigkeit, Licht in immer kürzere Lichtstöße zu formen, ist auch für Sensor- und Messanwendungen vielversprechend.

Das Team arbeitet derzeit daran, diese Methode auf die Bereiche sichtbares Licht und Infrarotlicht auszudehnen. Sie gehen davon aus, dass der Welleninteraktionseffekt in einer Vielzahl von Umgebungen bestehen bleibt. „Im Prinzip könnte man mit dieser Technik [einen elektromagnetischen] Tsunami töten. Ein Tsunami kommt auf dich zu und dann schickst du eine Welle dagegen“, sagt Alù. „Natürlich muss man es richtig gestalten. Und Sie müssen diesen Übergang herbeiführen, aber Sie können die Wellen, die auf Sie zukommen, vollständig unterdrücken.“

Neben möglichen Anwendungen in der Telekommunikation ist diese Technik wissenschaftlich vielversprechend. Durch mehrmaliges Anbringen des Zeitspiegels im Rhythmus könnte ein Zeitkristall entstehen. Das Team untersucht derzeit auch die möglichen Quanteneigenschaften dieser Zeitschnittstellen und das Schicksal einzelner Photonen, die durch sie kollidieren.