Espelho do tempo mostra suas costas em vez do seu rosto - e sua voz vem ao contrário

Com informações da Cuny - 16/03/2023

(a) Reflexões espaciais convencionais: Uma pessoa vê seu rosto quando se olha no espelho; ou, quando fala, o eco volta na mesma ordem. (b) Reflexões do tempo: A pessoa vê suas costas quando se olha no espelho e se vê em cores diferentes. Ou ouve seus ecos em ordem inversa, semelhante a uma fita rebobinando.
[Imagem: Hady Moussa et al. - 10.1038/s41567-023-01975-y]

Reflexão espacial e reflexão temporal

Quando nos olhamos no espelho, estamos acostumados a ver nossos rostos olhando para nós. As imagens são produzidas por ondas de luz refletidas na superfície espelhada, criando o fenômeno chamado reflexão espacial.

Da mesma forma, as reflexões espaciais das ondas sonoras formam ecos que trazem nossas palavras de volta para nós na mesma ordem em que as falamos.

Mas, e se pudéssemos olhar no espelho e ver nossas costas, ou nos ver em cores diferentes, ou ainda ouvir os ecos dos nossos gritos ao contrário, como se fosse uma música tocando de trás para frente?

Na teoria isso era considerado possível há mais de 60 anos, com os físicos tendo demonstrado matematicamente a possibilidade de observar uma forma diferente de reflexão das ondas, conhecida como reflexão temporal ou reflexão no tempo.

Em contraposição às reflexões espaciais a que estamos acostumados, que surgem quando as ondas atingem uma fronteira, como um espelho ou uma parede, localizados em um local específico do espaço, as reflexões no tempo surgem quando todo o meio no qual as ondas estão viajando muda repentina e abruptamente suas propriedades em toda a sua extensão. Num evento anômalo desse tipo uma parte da onda é invertida no tempo e sua frequência é convertida em uma nova frequência.

Até agora não havia como testar essa teoria porque ninguém sabia como alterar as propriedades ópticas de um material a uma velocidade e magnitude que induzam reflexões no tempo - e não se tem notícia disso acontecendo naturalmente em nenhum lugar do Universo.

Esquema do metamaterial (em cima) e dos meta-átomos que o compõem (embaixo). Um sinal de controle (em verde) é usado para ativar uniformemente um conjunto de interruptores distribuídos ao longo de um régua de metal. Ao fechar/abrir os interruptores, a impedância eletromagnética deste metamaterial é abruptamente diminuída/aumentada, fazendo com que um sinal de propagação direta de banda larga (em azul) seja parcialmente refletido no tempo, (em vermelho) com todas as suas frequências invertidas/convertidas.
[Imagem: Hady Moussa et al. - 10.1038/s41567-023-01975-y]

Reflexão temporal

Depois de seis décadas desde o desenvolvimento da teoria, Hady Moussa e colegas da Universidade Cidade de Nova Iorque finalmente idealizaram um experimento que permitiu observar reflexões temporais de ondas eletromagnéticas. Para isso, eles desenvolveram um metamaterial especificamente projetado para fazer isso - um metamaterial é um material artificial que apresenta propriedades que nenhum material natural possui.

"Isto foi realmente emocionante de se ver, devido há quanto tempo esse fenômeno contra-intuitivo foi previsto e como diferentes ondas refletidas no tempo se comportam em comparação com as refletidas no espaço," disse o professor Andrea Alù. "Usando um sofisticado projeto de metamaterial, conseguimos tornar realidade as condições para alterar as propriedades do material no tempo de forma abrupta e com grande contraste."

Essa façanha fez com que uma parte significativa dos sinais de banda larga que viajavam no metamaterial fossem instantaneamente revertidos no tempo e convertidos em frequência. O efeito forma um eco estranho, no qual a última parte do sinal é refletida primeiro.

De fato, como previsto, se você olhasse para um espelho do tempo, seu reflexo seria invertido e você veria suas costas em vez de seu rosto. Claro, o experimento ainda não é um espelho completo, podendo ser melhor comparado a um "píxel de um espelho". Mas a versão acústica, muito mais simples, dá resultados audíveis, reproduzindo um som semelhante ao emitido durante o rebobinamento de uma fita.

Os pesquisadores também demonstraram que a duração dos sinais refletidos no tempo foi esticada no tempo devido à conversão de frequência de banda larga. Como resultado, se as ondas eletromagnéticas usadas no experimento fossem visíveis aos nossos olhos, todas as suas cores seriam transformadas abruptamente, de modo que o vermelho se tornaria verde, o laranja se tornaria azul e o amarelo se tornaria violeta.

Este é o metamaterial real, que demonstrou a reflexão temporal e a interface de tempo.
[Imagem: Hady Moussa et al. - 10.1038/s41567-023-01975-y]

Interface de tempo

Para viabilizar essa "mágica" muito bem estabelecida na realidade, os pesquisadores injetaram sinais de banda larga em seu metamaterial, que consiste em uma tira sinuosa de metal, com cerca de 6 metros de comprimento, impressa em uma placa e carregada com um denso conjunto de interruptores eletrônicos conectados a capacitores.

Todos os interruptores foram acionados ao mesmo tempo, o que resultou em duplicar a impedância do material de modo repentino e uniforme - a impedância é a resistência de um circuito ou componente à passagem da corrente. Essa mudança rápida e grande nas propriedades eletromagnéticas produziu uma interface temporal, e os sinais medidos carregavam fielmente uma cópia invertida no tempo dos sinais de entrada.

O experimento demonstrou que é possível construir uma interface de tempo, produzindo de modo eficiente uma reversão temporal e a transformação de frequência de ondas eletromagnéticas de banda larga.

Ambas as operações oferecem novos graus de liberdade para controle de ondas, algo que abre caminho para aplicações interessantes em comunicações sem fio e para o desenvolvimento de pequenos computadores de baixo consumo de energia.

Além disso, o metamaterial desenvolvido pela equipe pode combinar múltiplas interfaces de tempo, permitindo criar cristais de tempo eletromagnéticos e metamateriais de tempo. Combinada com interfaces espaciais personalizadas, essa tecnologia abre novos caminhos para as tecnologias fotônicas e novas formas de aprimorar e manipular as interações onda-matéria.

"As propriedades eletromagnéticas exóticas dos metamateriais até agora têm sido projetadas combinando de maneira inteligente muitas interfaces espaciais," disse Shixiong Yin, membro da equipe. "Nosso experimento mostra que é possível adicionar interfaces de tempo a esse mix, estendendo os graus de liberdade para manipular ondas. Nós também conseguimos criar uma versão de tempo de uma cavidade ressonante, que pode ser usada para criar uma nova forma de tecnologia de filtragem para sinais eletromagnéticos."

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