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Dec 08, 2023

광자들이 서로 충돌합니다 - 타임 미러에서

일반적으로 전자기파는 눈에 띄지 않고 방해받지 않고 서로 통과합니다. 광선이 서로를 알아차리게 하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 일반적으로 과학자들은 다음을 통해 상호 작용하도록 유도해야 합니다.

일반적으로 전자기파는 눈에 띄지 않고 방해받지 않고 서로 통과합니다. 광선이 서로를 알아차리게 하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 일반적으로 과학자들은 복잡한 재료를 통해 상호 작용하도록 유도해야 합니다. 이제 뉴욕 시립대학교(CUNY) 첨단 과학 연구 센터의 물리학자들은 광선을 동일한 거울에 시간에 맞춰 반사시켜 광선을 서로 충돌시키는 근본적으로 새로운 방법을 설계했습니다. 빛으로 빛을 제어함으로써 팀은 통신 및 과학 측정에 적용할 수 있는 기술의 빔 형성 기능도 선보였습니다.

팀은 지난 3월에 시간 거울 기술을 시연했지만 이제는 동일한 시간 거울에 부딪히는 두 개의 반대되는 광 펄스가 거대한 물체처럼 서로 충돌하도록 만들 수 있음을 보여주었습니다. 더욱이, 연구자들은 발생하는 충돌 유형을 제어할 수 있습니다. 연구진은 광 펄스가 두 개의 당구공이 서로 튕겨 나가는 것처럼 탄력적으로 충돌할 수 있다고 보고했습니다. 마치 Silly Putty 두 조각이 서로 부딪쳐서 서로 달라붙는 것처럼 비탄력적으로; 또는 건설적으로는 충돌로 인해 스프링이 장착된 메커니즘을 갖춘 두 개의 공이 합쳐진 것보다 더 빨리 떨어져 나가는 것과 같습니다.

“시스템의 총 에너지가 감소할지, 증가할지, 동일하게 유지될지 결정할 수 있습니다.”—Andrea Alù, CUNY

CUNY의 저명한 물리학 교수이자 해당 연구의 수석 저자인 Andrea Alù는 "우리는 이를 광자 충돌이라고 부릅니다. 두 개의 거대한 물체가 서로 부딪칠 때 어떻게 상호 작용하는지를 상기시키기 때문입니다."라고 말했습니다. "이 시간 인터페이스의 놀라운 점은 운전하는 순간을 선택하면 시스템의 총 에너지가 감소할지, 증가할지, 그대로 유지되는지 결정할 수 있다는 것입니다."

시간 거울을 만들기 위해 팀은 특별히 설계된 메타물질을 사용했습니다. 일반 거울은 두 물질 사이의 굴절률이 급격히 변하여 경계면에서 빛이 반사되면서 형성됩니다. 마찬가지로, 시간 거울은 굴절률의 급격한 변화에 의해 형성되지만 시간이 지나면서 형성됩니다. 시간에 반사된 빛은 여전히 ​​같은 방향으로 이동하지만, 거꾸로 재생되는 사운드 녹음과 같습니다.

이 메타물질 칩은 자신을 통과하는 광파에 대한 시간 거울을 생성하여 두 개의 광파가 서로 충돌할 수 있게 합니다. Shawn Rhea/CUNY 첨단과학연구센터

연구진은 칩에 인쇄된 6미터 길이의 구불구불한 전송선을 사용하여 이 타임 미러를 달성했습니다. 그들은 전송선과 접지 사이에 20cm마다 빛의 한 파장보다 더 가까운 많은 스위치와 연결된 커패시터를 연결했습니다. 이러한 커패시터를 켜거나 끄면 재료의 굴절률을 3나노초만큼 빠르게 변경할 수 있습니다. “갑자기 파도가 완전히 다른 매체에 있는 것처럼 느껴집니다.”라고 Alù는 말합니다.

그들은 전송선의 양쪽 끝에서 서로를 향해 광 펄스를 보내고 서로 다른 시점에서 굴절률을 전환했습니다. 전환 중에 두 개의 광선이 얼마나 겹쳐지는지를 변경함으로써 충돌의 성격(탄성, 비탄성 또는 건설적)을 변경할 수 있습니다.

더욱이, 연구자들은 광선 중 하나의 모양과 스위치 타이밍을 선택함으로써 필요에 맞게 다른 광선의 모양을 효과적으로 변경할 수 있었습니다. 그들은 광 신호의 한 부분을 지우고 펄스를 줄이는 것을 시연했습니다. 시간 인터페이스는 광범위한 주파수에서 작동하므로 이 방법을 사용하여 광대역 조명을 형성할 수 있습니다. 무선 통신에 매우 유용합니다. 빛을 더욱 짧은 순간의 버스트로 형성하는 능력은 감지 및 측정 응용 분야에서도 큰 가능성을 제공합니다.

연구팀은 현재 이 방법을 가시광선과 적외선 영역으로 확장하기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 파동 상호작용 효과가 광범위한 설정에서 지속될 것으로 기대합니다. “원칙적으로 이 기술을 사용하면 [전자기] 쓰나미를 죽일 수 있습니다. 쓰나미가 닥치면 이에 맞서 파도를 보내는 거죠.”라고 Alù는 말합니다. “물론 형태를 제대로 갖춰야 합니다. 그리고 이러한 전환이 일어나도록 해야 하지만 당신을 향해 다가오는 파도를 완전히 억제할 수 있습니다.”