전자기파에서 시간 역전
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-03-23 09:44:37
3'20" 읽기
- 실험의 기본은 직렬로 연결된 30개의 소단위로 나누어진 6m 길이의 금속 전도체
- 전자기 마이크로파 신호가 이 도체에 공급되자마자 이 스위치는 상태를 변경
- 두 저항값 사이를 빠르게 앞뒤로 이동
- 전자기 및 광자 애플리케이션을 위한 시간 인터페이스를 향한 길 열어
우리는 모두 공간 반사 현상에 대해 잘 알고 있다. 빛이 거울에 반사돼 우리 앞에서 얼굴을 보거나 레이저 빔이 편향되는 방식이다. 음파도 반사되어 에코 또는 속삭이는 회랑 효과를 생성할 수 있다. 그러나 이러한 반사의 경우 파형과 시퀀스는 동일하게 유지된다. 즉, 방사선 펄스의 앞부분이 먼저 반사되어 우리에게 먼저 도달한다.
시간 반사는 정상적인 순서를 반대로 한다.
뉴욕 시립대학의 Hady Moussa와 그의 동료들이 현재 시연하고 있는 것처럼 다른 방법이 있다. 공간적 차원 외에도 파동의 시간적 차원도 반영될 수 있기 때문에 이 현상은 이론적으로 약 60년 전에 예측됐다. "이러한 시간 반사를 통해 입력 신호의 일부가 역전되고 운동량이 보존되는 동안 주파수 스펙트럼이 변경된다"고 물리학자들은 설명했다.
이러한 시간적 반사로 인해 파동 주행의 뒷부분이 먼저 다시 출발점에 도달하고 나서야 앞 파(wave)부분이 뒤따른다. 소리에 적용하면 이러한 시간적 반사는 테이프를 되감거나 각 단어 및 구의 두 번째 부분이 첫 번째 부분보다 먼저 도달하는 것처럼 들린다. Moussa의 동료인 Andrea Alu는 "시간 반사된 파동이 공간적으로 반사된 파동과 비교해 얼마나 다르게 행동하는지가 정말 매력적이다"고 말했다.
매질에서 빠른 전환이 필요
도대체 그러한 시간 반사는 어떻게 달성될까? 이론적 모델에 따르면 이러한 역전은 매질의 특성이 파동 주파수의 두 배 속도로 변할 때 발생한다. 그러나 지금까지 이것은 거의 실용적이지 않았다. "이러한 시간 상호 작용은 지금까지 물결(water wave)에 대해서만 입증되었지만, 포토닉스에는 없었다. 매체의 특성을 시간이 지남에 따라 전자기 신호를 반사할 수 있을 만큼 충분히 빠르고 규칙적으로 그리고 충분한 대비로 변경하는 것은 매우 어렵다.
동적 메타물질 덕분에 Moussa와 그의 팀은 이제 성공했다. 실험의 기본은 직렬로 연결된 30개의 소단위로 나누어진 6m 길이의 금속 전도체다. 각 장치는 AC 저항으로 다음 장치에 연결된다. 전자기 마이크로파 신호가 이 도체에 공급되자마자 이 스위치는 상태를 변경하고 두 저항값 사이를 빠르게 앞뒤로 이동한다.
Moussa와 그의 팀은 "스위치를 사용하면 매체를 통해 전송되는 광대역 신호 파장의 절반보다 빠르게 단위 길이당 유효 저항을 변경할 수 있다"며 "이것은 결과적인 시간 반사와 광대역 신호의 주파수 변환으로 시간 미러링을 생성한다"고 설명했다.
후방 펄스가 먼저 돌아온다.
시간 반사는 마이크로파 신호의 변화된 특성에서 측정할 수 있게 되었다. 입력 신호는 먼저 신호 강도가 낮고 신호 강도가 높은 비대칭 파동 펄스로 구성되었다. "스위치가 활성화된 후 3ns(나노초) 이내에 입력 신호의 일부는 시간적으로 반사돼 시작점으로 돌아갑니다. 거기에서 두 개의 신호 피크가 역순으로 측정된다”고 물리학자들은 현상을 설명했다.
역순 외에도 시간에 반사된 펄스는 역방향 극성과 변경된 주파수를 보여주었다. Moussa와 그의 팀을 보고했다. 추가 실험에서 그들은 중첩된 시간 반사 파동의 간섭이 생성되는 방식으로 두 개의 시간 반사를 결합하는 데 성공했다. Moussa의 동료인 Shixiong Yin은 "따라서 우리는 예를 들어 전자기 신호에 대한 새로운 형태의 필터 기술 역할을 할 수 있는 공진기 챔버의 임시 버전을 만들었다"고 설명했다.
전기 통신 및 포토닉스 분야의 응용
연구원들에 따르면 전자기파의 시간 반사는 예를 들어 공간적 또는 전자적 방법보다 훨씬 더 광범위하게 통신 또는 컴퓨터 기술에서 신호를 조작할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. "우리의 결과는 전체 범위의 전자기 및 광자 애플리케이션을 위한 시간 인터페이스를 향한 길을 열어준다"고 팀은 말했다.
새로운 광자 시간 결정과 시간 메타 물질도 이 원리를 사용하여 실현될 수 있다. "메타 물질의 이국적인 특성은 공간 상호 작용을 위해 여러 가지 방법으로 활용되었다"고 Yin은 말했다. "우리의 실험은 이제 파동 조작의 자유도를 더욱 높이기 위해 시간적 상호 작용도 추가할 수 있음을 증명한다.“
(Nature Physics, 2023; doi: 10.1038/s41567-023-01975-y)
출처: Advanced Science Research Center, GC/CUNY
- 실험의 기본은 직렬로 연결된 30개의 소단위로 나누어진 6m 길이의 금속 전도체
- 전자기 마이크로파 신호가 이 도체에 공급되자마자 이 스위치는 상태를 변경
- 두 저항값 사이를 빠르게 앞뒤로 이동
- 전자기 및 광자 애플리케이션을 위한 시간 인터페이스를 향한 길 열어
전자기파에서 시간 역전
메타 물질은 처음으로 마이크로파 신호의 시간적 반사를 가능하게 한다.
뒤에서 출발한 것이 앞선다.
처음으로 물리학자들이 전자기파를 시간적으로 반영(mirror)해 시간적 순서를 부분적으로 역전시켰다. 빔 펄스의 뒷부분이 먼저 원점에 다시 도달한다. 연구팀이 Nature Physics에 보고한 것처럼 파동의 극성과 주파수를 변경한다. 이 시간 반사는 파동 전파 중에 전기 저항을 빠르게 전환하는 메타물질에 의해 가능해졌다.
 |
| ▲ 메타물질을 빠르게 전환하면 전자기 신호(파란색)를 시간(빨간색)으로 미러링하여 순서를 뒤집을 수 있다. © Andrea Alu |
우리는 모두 공간 반사 현상에 대해 잘 알고 있다. 빛이 거울에 반사돼 우리 앞에서 얼굴을 보거나 레이저 빔이 편향되는 방식이다. 음파도 반사되어 에코 또는 속삭이는 회랑 효과를 생성할 수 있다. 그러나 이러한 반사의 경우 파형과 시퀀스는 동일하게 유지된다. 즉, 방사선 펄스의 앞부분이 먼저 반사되어 우리에게 먼저 도달한다.
시간 반사는 정상적인 순서를 반대로 한다.
뉴욕 시립대학의 Hady Moussa와 그의 동료들이 현재 시연하고 있는 것처럼 다른 방법이 있다. 공간적 차원 외에도 파동의 시간적 차원도 반영될 수 있기 때문에 이 현상은 이론적으로 약 60년 전에 예측됐다. "이러한 시간 반사를 통해 입력 신호의 일부가 역전되고 운동량이 보존되는 동안 주파수 스펙트럼이 변경된다"고 물리학자들은 설명했다.
이러한 시간적 반사로 인해 파동 주행의 뒷부분이 먼저 다시 출발점에 도달하고 나서야 앞 파(wave)부분이 뒤따른다. 소리에 적용하면 이러한 시간적 반사는 테이프를 되감거나 각 단어 및 구의 두 번째 부분이 첫 번째 부분보다 먼저 도달하는 것처럼 들린다. Moussa의 동료인 Andrea Alu는 "시간 반사된 파동이 공간적으로 반사된 파동과 비교해 얼마나 다르게 행동하는지가 정말 매력적이다"고 말했다.
 |
| ▲ 이미지와 사운드의 공간적 반사(왼쪽)와 유사하게 시간적 반사의 효과. © Andrea Alu |
매질에서 빠른 전환이 필요
도대체 그러한 시간 반사는 어떻게 달성될까? 이론적 모델에 따르면 이러한 역전은 매질의 특성이 파동 주파수의 두 배 속도로 변할 때 발생한다. 그러나 지금까지 이것은 거의 실용적이지 않았다. "이러한 시간 상호 작용은 지금까지 물결(water wave)에 대해서만 입증되었지만, 포토닉스에는 없었다. 매체의 특성을 시간이 지남에 따라 전자기 신호를 반사할 수 있을 만큼 충분히 빠르고 규칙적으로 그리고 충분한 대비로 변경하는 것은 매우 어렵다.
동적 메타물질 덕분에 Moussa와 그의 팀은 이제 성공했다. 실험의 기본은 직렬로 연결된 30개의 소단위로 나누어진 6m 길이의 금속 전도체다. 각 장치는 AC 저항으로 다음 장치에 연결된다. 전자기 마이크로파 신호가 이 도체에 공급되자마자 이 스위치는 상태를 변경하고 두 저항값 사이를 빠르게 앞뒤로 이동한다.
Moussa와 그의 팀은 "스위치를 사용하면 매체를 통해 전송되는 광대역 신호 파장의 절반보다 빠르게 단위 길이당 유효 저항을 변경할 수 있다"며 "이것은 결과적인 시간 반사와 광대역 신호의 주파수 변환으로 시간 미러링을 생성한다"고 설명했다.
후방 펄스가 먼저 돌아온다.
시간 반사는 마이크로파 신호의 변화된 특성에서 측정할 수 있게 되었다. 입력 신호는 먼저 신호 강도가 낮고 신호 강도가 높은 비대칭 파동 펄스로 구성되었다. "스위치가 활성화된 후 3ns(나노초) 이내에 입력 신호의 일부는 시간적으로 반사돼 시작점으로 돌아갑니다. 거기에서 두 개의 신호 피크가 역순으로 측정된다”고 물리학자들은 현상을 설명했다.
역순 외에도 시간에 반사된 펄스는 역방향 극성과 변경된 주파수를 보여주었다. Moussa와 그의 팀을 보고했다. 추가 실험에서 그들은 중첩된 시간 반사 파동의 간섭이 생성되는 방식으로 두 개의 시간 반사를 결합하는 데 성공했다. Moussa의 동료인 Shixiong Yin은 "따라서 우리는 예를 들어 전자기 신호에 대한 새로운 형태의 필터 기술 역할을 할 수 있는 공진기 챔버의 임시 버전을 만들었다"고 설명했다.
전기 통신 및 포토닉스 분야의 응용
연구원들에 따르면 전자기파의 시간 반사는 예를 들어 공간적 또는 전자적 방법보다 훨씬 더 광범위하게 통신 또는 컴퓨터 기술에서 신호를 조작할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. "우리의 결과는 전체 범위의 전자기 및 광자 애플리케이션을 위한 시간 인터페이스를 향한 길을 열어준다"고 팀은 말했다.
새로운 광자 시간 결정과 시간 메타 물질도 이 원리를 사용하여 실현될 수 있다. "메타 물질의 이국적인 특성은 공간 상호 작용을 위해 여러 가지 방법으로 활용되었다"고 Yin은 말했다. "우리의 실험은 이제 파동 조작의 자유도를 더욱 높이기 위해 시간적 상호 작용도 추가할 수 있음을 증명한다.“
(Nature Physics, 2023; doi: 10.1038/s41567-023-01975-y)
출처: Advanced Science Research Center, GC/CUNY
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
