60 多年来，物理学家一直在思考不同形式的波反射的可能性：时间或时间反射。与空间反射不同，空间反射发生在光波或声波撞击边界（例如空间中的特定位置的镜子或墙壁）时，时间反射发生在波在其中传播的整个介质突然并突然改变其所有属性时空间。发生这种情况时，一部分波的时间会反转，其频率会转换为新频率。

直到现在，还没有观察到电磁波的这种现象。为什么？材料的光学特性不能以引起时间反射的速度和幅度轻易改变。

这就是超材料的用武之地，纽约市立大学研究生中心 (CUNY ASRC) 高级科学研究中心的 Andrea Alù 团队实现了一项突破性实验，他们观察了定制超材料中电磁信号的时间反射。

纽约市立大学研究生中心物理学特聘教授兼创始主任 Andrea Alù 说：“时间反射在几十年前就在理论上被预测到了，最近由于及时控制光带来了新的机会，人们的兴趣又重新兴起了”纽约市立大学 ASRC 光子学计划。“然而，之前还没有实验证明时间反射。我们想出了解决方案，以应对在我们的超材料设计中阻碍这种观察的挑战。”

Alù 以其令人惊叹的超材料研究而闻名，他创造了光和声音——现在还有时间——似乎不服从传统规则的技术。

“展示时间反射的挑战在于创建时间界面的困难，”Alù 说。“时间界面需要对光在其中传播的超材料的属性进行非常快速和实质性的改变。我们发现了一种超材料几何形状，使我们能够非常快速且均匀地加载和卸载储能电容器，这使我们能够满足观察时间反射所需的条件。”

CUNY ASRC 与 Alù 合作的博士后研究员 Gengyu Xu 说，先前研究中阻止时间反射的一个障碍“是认为创建时间界面需要大量能量”。“很难足够快、均匀地改变介质的特性，并且与时间反射电磁信号有足够的对比，因为它们振荡得非常快。我们的想法是避免改变主体材料的属性，而是创建一种超材料，在这种超材料中可以通过快速开关突然添加或减去其他元素。”

灵活的超材料

使用奇特的超材料设计，该团队及时改变了材料的属性——突然并且具有很大的反差。

这会导致在超材料中传输的大部分宽带信号瞬间发生时间反转和频率转换，从而导致奇怪的回波，信号的最后一部分首先被反射。把它想象成类似于看一面时间镜：你的倒影被翻转，你看到的是你的背影而不是你的脸。在声学场景中，您会听到类似于磁带倒带的声音。

该团队还表明，由于宽带频率转换，时间反射信号的持续时间在时间​​上被拉长了。把它想象成：我们眼睛可见的所有光信号（颜色）突然转变，所以红色变成绿色，橙色变成蓝色，黄色变成紫色。

研究人员将什么用于超材料？他们将宽带信号注入一块长约 6 米的蜿蜒金属条，印在一块板上，上面装有密集的电子开关阵列，这些电子开关连接到储能电容器。然后，同时触发所有开关——突然并均匀地使线路上的阻抗加倍。电磁特性的这种快速而巨大的变化产生了时间界面，测量信号忠实地携带了输入信号的时间反转副本。

超材料的奇异电磁特性是通过组合许多空间界面来设计的。“我们的实验表明，可以将时间界面添加到混合中——扩展操纵波的自由度，”CUNY ASRC 和纽约城市学院的研究生 Shixiong Yin 说。“我们还能够创建时间版本的谐振腔，可用于实现一种新型的电磁信号过滤技术。”

超材料平台可以组合多个时间界面

该团队的超材料平台可以结合多个时间接口，从而实现电磁时间晶体和时间超材料（见图）。结合定制的空间界面，这一发现提供了为光子技术开辟新方向的潜力——以及增强和操纵波-物质相互作用的新方法。 

这项工作是开创性的，因为它表明确实有可能实现时间接口，从而产生宽带电磁波的有效时间反转和频率转换。这两种操作都为极端波浪控制提供了新的自由度。这一成就可以为无线通信的应用和小型、低能量的基于波的计算机的发展铺平道路。

“观察到非常宽带信号的显着时间反转令人印象深刻，这意味着‘反向播放’入射波并均匀地转换它们的频率，”Alù 说。“信号在时间界面后保持形状并及时拉伸。”

他们实验的另一个令人震惊的方面是“必须重写时间界面理论，因为正如我们所证明的那样，所涉及的边界条件并不是自该研究领域开始以来理论论文所假设的条件，”他解释道。“由于我们在设置中创建时间接口的方式，我们能够解释为什么我们测量的时间反射信号的相位与我们预期的相比发生了翻转。”

量子领域？

该团队的时间接口在非常宽的带宽上实现了非常快速和高效的相位共轭和时间反转。“这种操作对信号处理和计算都非常重要，”Alù 说。“我们还在研究时间界面在量子环境中对几个光子的影响，我们相信它会对量子计算产生影响。”

在国防研究的背景下，“时间接口对于有效的频率转换和雷达应用中的信道估计可能很有意义，”Alù 补充道。

下一步是什么？“我们正在努力将这些现象扩展到更高的频率和量子应用，”Alù 说。