Wissenschaftler haben erstmals gezeigt, dass sie Licht durch „Schlitze“ in der Zeit schicken können.
Das neue Experiment ist eine Variante einer 220 Jahre alten Demonstration, bei der Licht durch zwei Schlitze in einem Bildschirm scheint, um ein im Weltraum einzigartiges Beugungsmuster zu erzeugen, bei dem sich die Spitzen und Täler der Lichtwelle addieren oder aufheben. In dem neuen Experiment erzeugten die Forscher im Laufe der Zeit ein ähnliches Muster, das die Farbe eines ultrakurzen Laserpulses im Wesentlichen änderte.
Die Ergebnisse ebnen den Weg für Fortschritte bei analogen Computern, die Daten verarbeiten, die in Lichtstrahlen statt in digitalen Bits gedruckt werden; Sie könnten solche Computer sogar dazu bringen, aus den Daten zu “lernen”. Sie vertiefen auch unser Verständnis der grundlegenden Natur des Lichts und seiner Wechselwirkungen mit Materialien.
Für die neue Studie, beschrieben am 3. April in der Zeitschrift Nature Physics (öffnet in einem neuen Tab)verwendeten die Forscher Indium-Zinn-Oxid (ITO), das Material, das in den meisten Telefonbildschirmen zu finden ist. Wissenschaftler wussten bereits, dass ITO als Reaktion auf Licht von transparent zu reflektierend wechseln kann, stellten jedoch fest, dass dies viel schneller geschieht als bisher angenommen, in weniger als 10 Femtosekunden (10 Millionstel einer Milliardstel Sekunde).
„Das war eine sehr große Überraschung und zunächst etwas, das wir uns nicht erklären konnten“, sagte der Hauptautor der Studie. Ricardo Sapienza (öffnet in einem neuen Tab), ein Physiker am Imperial College London, gegenüber Live Science. Letztendlich entdeckten die Forscher, warum die Reaktion so schnell ablief, indem sie die Theorie untersuchten, wie die Elektronen in ITO auf einfallendes Licht reagieren. “Aber wir haben lange gebraucht, um es zu verstehen.”
Zeit gegen Raum tauschen
Der englische Wissenschaftler Thomas Young demonstrierte 1801 erstmals die Wellennatur des Lichts mit dem heute klassischen „Doppelspalt“-Experiment. Wenn Licht auf einen Schirm mit zwei Spalten fällt, ändern die Wellen ihre Richtung, sodass die Wellen, die aus einem Spalt kommen, diese überlagern des anderen. Wellen kommen durch die andere. Die Spitzen und Täler dieser Wellen addieren sich oder heben sich gegenseitig auf und erzeugen helle und dunkle Streifen, sogenannte Interferenzmuster.
In der neuen Studie stellten Sapienza und seine Kollegen ein solches Interferenzmuster im Laufe der Zeit nach, indem sie einen „Bomben“-Laserpuls auf einen ITO-beschichteten Bildschirm richteten. Während das ITO zunächst transparent war, veränderte das Licht des Lasers die Eigenschaften der Elektronen im Material, sodass das ITO das Licht wie ein Spiegel reflektierte. Ein nachfolgender “Sonden”-Laserstrahl, der auf den ITO-Schirm trifft, würde diese vorübergehende Änderung der optischen Eigenschaften als einen Zeitschlitz von einigen hundert Femtosekunden Dauer sehen. Durch die Verwendung eines zweiten Pumplaserpulses verhielt sich das Material so, als hätte es zwei Zeitschlitze, ein Analogon von Licht, das durch doppelte Raumschlitze hindurchgeht.
Während das Licht durch herkömmliche Raumschlitze geht, ändert es seine Richtung und breitet sich aus, während das Licht durch diese doppelten “Zeitschlitze” ging, änderte es die Frequenz, die umgekehrt zu seiner Wellenlänge in Beziehung steht. Es ist die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, die seine Farbe bestimmt.
In dem neuen Experiment erschien das Interferenzmuster als zusätzliche Streifen oder Spitzen in den Frequenzspektren, die Graphen der Lichtintensität sind, die bei verschiedenen Frequenzen gemessen wurden. So wie eine Änderung des Abstands zwischen den räumlichen Schlitzen das resultierende Interferenzmuster verändert, diktiert die Verzögerung zwischen den Zeitschlitzen den Abstand der Interferenzstreifen in den Frequenzspektren. Und die Anzahl der Streifen in diesen Interferenzmustern, die sichtbar sind, bevor ihre Amplitude auf den Hintergrundrauschpegel abfällt, zeigt, wie schnell sich die Eigenschaften von ITO ändern; Materialien mit langsameren Reaktionen erzeugen weniger nachweisbare Interferenzstreifen.
Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler herausgefunden haben, wie man Licht durch die Zeit anstatt durch den Raum manipuliert. Zum Beispiel Wissenschaftler aus Google sagt, dass sein Quantencomputer „Sycamore“ einen Zeitkristall geschaffen hateine neue Phase der Materie, die sich zeitlich periodisch ändert, im Gegensatz zu Atomen, die sich in einem periodischen Muster im Raum anordnen.
Andrea Alu (öffnet in einem neuen Tab)Ein Physiker an der City University of New York, der nicht an diesen Experimenten beteiligt war, aber separate Experimente durchführte, die Lichtreflexionen in der Zeit erzeugten, beschrieb dies als eine weitere „deutliche Demonstration“ dafür, wie Zeit und Raum austauschbar sein können.
„Der bemerkenswerteste Aspekt des Experiments ist, dass es zeigt, wie wir die Permittivität ändern können [which defines how much a material transmits or reflects light] dieses Materials (ITO) sehr schnell und in einer beträchtlichen Menge“, sagte Alù gegenüber Live Science per E-Mail. „Dies bestätigt, dass dieses Material ein idealer Kandidat für die Demonstration von Zeitreflexionen und Zeitkristallen sein könnte.“
Die Forscher hoffen, diese Phänomene nutzen zu können, um Metamaterialien oder Strukturen zu schaffen, die den Weg des Lichts auf spezifische und oft ausgeklügelte Weise verändern sollen.
Bisher waren diese Metamaterialien statisch, was bedeutet, dass eine Änderung der Art und Weise, wie das Metamaterial den Lichtweg beeinflusst, die Verwendung einer völlig neuen Metamaterialstruktur erfordert: zum Beispiel einen neuen analogen Computer für jede unterschiedliche Art von Berechnung, sagte Sapienza.
“Jetzt haben wir ein Material, das wir neu konfigurieren können, was bedeutet, dass wir es für mehr als einen Zweck verwenden können”, sagte Sapienza. Er fügte hinzu, dass eine solche Technologie neuromorphes Computing ermöglichen könnte, das das Gehirn nachahmt.