ブログ

Dec 08, 2023

光子はタイムミラー上で衝突する

通常、電磁波は目に見えず、邪魔されることなくお互いを通過します。 光線同士を認識させるのは簡単な作業ではありません。 通常、科学者は、次のような方法で彼らを説得して対話させる必要があります。

通常、電磁波は目に見えず、邪魔されることなくお互いを通過します。 光線同士を認識させるのは簡単な作業ではありません。 通常、科学者は複雑な材料を介して相互作用するようにそれらを説得する必要があります。 現在、ニューヨーク市立大学 (CUNY) 先端科学研究センターの物理学者たちは、光線を同じミラー上で時間内に反射させることにより、光線を互いに衝突させる根本的に新しい方法を設計しました。 チームは光で光を制御することで、電気通信や科学測定への応用の可能性を秘めた技術のビーム整形機能も披露した。

研究チームは3月にタイムミラー技術を実証したが、今回は、同時にタイムミラーに当たる2つの向かい合った光パルスを、まるで巨大な物体のように衝突させることができることを示した。 さらに、研究者は発生する衝突の種類を制御することができます。 研究者らの報告によると、光パルスは、2つのビリヤードの球が互いに跳ね返るように、弾性的に衝突する可能性がある。 2 つの愚かなパテが互いにぶつかってくっついているように、非弾性的です。 または、建設的な場合は、バネ仕掛けの機構を備えた 2 つのボールが衝突によってトリップし、結合するよりも早く離れてしまうようなものです。

「システム内の総エネルギーが減少するか、増加するか、それとも変化しないかを決定できます。」—アンドレア アル、ニューヨーク州立大学

「私たちがこれを光子衝突と呼んでいるのは、2 つの巨大な物体が衝突したときにどのように相互作用するかを思い出させるからです」と、ニューヨーク大学物理学の著名教授であり、この研究の上級著者であるアンドレア・アル氏は述べています。 「この時間インターフェイスの注目すべき点は、それを駆動する瞬間を選択すると、システム内の総エネルギーが減少するか、増加するか、または同じままかを決定できることです。」

タイムミラーを作成するために、チームは特別に設計されたメタマテリアルを使用しました。 通常のミラーは、2 つの材料間の屈折率の急激な変化によって形成され、界面で光が反射されます。 同様に、タイムミラーは屈折率の急激な変化によって形成されますが、それは時間内に起こります。 時間反射光は同じ方向に進みますが、逆方向に進みます。これは、録音した音声を逆再生するのと同じです。

このメタマテリアル チップは、そこを通過する光波のタイム ミラーを作成することができ、2 つの光波が互いに衝突できるようにします。 ショーン・レア/ニューヨーク州立大学先端科学研究センター

研究者らは今回、チップ上に印刷された長さ6メートルの蛇行する伝送線路を使用してミラーを実現した。 彼らは多くのスイッチを接続し、伝送線路と地面の間に20センチメートルごとにコンデンサを接続し、光の1波長よりも近づけた。 これらのコンデンサをオンまたはオフに切り替えることにより、材料の屈折率を 3 ナノ秒という速さで変化させることができます。 「突然、波がまったく異なる媒体の中にいるように感じられます」とアルは言います。

彼らは、伝送線路の両端から光パルスを互いに向けて送信し、異なる時点で屈折率を切り替えました。 切り替え中に 2 つの光線がどのように重なり合うかを変更することで、衝突の性質 (弾性、非弾性、または建設的) を変えることができます。

さらに、一方の光ビームの形状とスイッチのタイミングを選択することで、研究者はニーズに合わせてもう一方のビームの形状を効果的に再形成することができました。 彼らは、光信号の一部を消去し、パルスを短縮することを実証しました。 時間インターフェースは広範囲の周波数で機能するため、この方法を使用して広帯域光を整形することができます。 ワイヤレス通信に非常に役立ちます。 光をこれまで以上に短いバーストに成形する機能も、センシングおよび測定アプリケーションにとって非常に有望です。

チームは現在、この方法を可視光領域と赤外光領域に拡張することに取り組んでいます。 彼らは、波の相互作用効果が広範囲の設定にわたって持続することを期待しています。 「原理的には、この技術を使えば（電磁波の）津波を殺すことができます。 津波が近づいてきて、それに対して波を送るのです」とアルは言う。 「もちろん、正しく形を整える必要があります。 そして、この移行を実現しなければなりませんが、自分に向かってくる波を完全に抑えることはできます。」