Il est commun de se regarder dans un miroir, sans que cela nous déconcerte outre mesure. Tout comme l’écho des sons dans une pièce, ces situations impliquent un phénomène similaire : la réflexion spatiale des ondes, que ce soit les ondes lumineuses frappant le miroir ou les ondes sonores frappant un mur. Toutefois, un troisième cas théorique existe : la réflexion temporelle des ondes. Récemment, des chercheurs ont mis en pratique cette théorie en fournissant la première preuve expérimentale de son existence à travers le spectre électromagnétique.
Lorsque nous nous regardons dans un miroir, nous sommes habitués à voir notre reflet. Les images réfléchies sont produites par des ondes lumineuses électromagnétiques qui rebondissent sur la surface du miroir, créant le phénomène de réflexion spatiale. De la même manière, les réflexions spatiales des ondes sonores forment des échos qui nous renvoient nos mots dans le même ordre que nous les avons prononcés.
Il y a plus de six décennies, certains scientifiques ont proposé l’existence d’une autre forme de réflexion des ondes : les réflexions temporelles. Contrairement aux réflexions spatiales, qui se produisent lorsque des ondes lumineuses ou sonores frappent une limite telle qu’un miroir ou un mur à un endroit précis dans l’espace, les réflexions temporelles se produisent lorsque l’ensemble du milieu dans lequel l’onde se déplace change subitement et brusquement ses propriétés à travers tout l’espace. Lors d’un tel événement, une partie de l’onde est inversée dans le temps et sa fréquence est convertie en une nouvelle fréquence.
Par exemple, pour « l’écho » d’une voix comptant de 1 à 10, nous entendrions chaque chiffre prononcé à l’envers et de dix à un, dans une cacophonie. Jusqu’à présent, il n’avait jamais été possible d’observer ce phénomène pour les ondes électromagnétiques, car les propriétés optiques d’un matériau ne peuvent pas être facilement modifiées à une vitesse et une amplitude qui induisent des réflexions temporelles.
Récemment, des chercheurs de l’Advanced Science Research Center de l’Université de New York (CUNY ASRC) sont parvenus à rendre tangible cette théorie grâce à une expérience révolutionnaire dans laquelle ils ont pu observer les réflexions temporelles des signaux électromagnétiques au sein d’un métamatériau conçu spécifiquement pour l’étude. Leurs travaux sont publiés dans Nature Physics.
Un matériau unique pour un phénomène inédit
Pour mettre en œuvre une réflexion temporelle, les chercheurs ont utilisé des métamatériaux modifiés. Les métamatériaux sont des assemblages artificiels qui n’ont pas d’équivalent dans la nature et ont été conçus pour répondre à différents besoins structurels, acoustiques et optiques.
Gengyu Xu, co-auteur de l’article et chercheur postdoctoral à CUNY ASRC, explique dans un communiqué : « Il est très difficile de modifier les propriétés d’un milieu assez rapidement, uniformément et avec suffisamment de contraste pour refléter dans le temps les signaux électromagnétiques, car ils oscillent très rapidement. Notre idée était d’éviter de modifier les propriétés du matériau hôte et de créer à la place un métamatériau dans lequel des éléments supplémentaires peuvent être brusquement ajoutés ou soustraits via des commutateurs rapides ».
Concrètement, l’équipe a transmis des signaux à large bande dans une bande métallique d’environ 6 mètres de long, imprimée sur une carte et chargée d’un réseau dense de commutateurs électroniques connectés à des condensateurs.
Déclenchés au même moment, les condensateurs libéraient leur charge, doublant brusquement et uniformément l’impédance — résistance totale d’un élément au courant électrique qui le traverse — le long de la ligne.
Ce changement rapide et important des propriétés électromagnétiques a produit une interface temporelle, et les signaux mesurés transportaient fidèlement une copie inversée dans le temps des signaux entrants. En d’autres termes, l’effet forme un étrange écho dans lequel la dernière partie du signal est réfléchie en premier.
Les chercheurs ont également démontré que la durée des signaux réfléchis dans le temps était étirée temporellement en raison de la conversion de fréquence à large bande. En conséquence, si les signaux lumineux étaient visibles à nos yeux, toutes leurs couleurs se transformeraient brusquement, de sorte que le rouge deviendrait vert, l’orange deviendrait bleu et le jaune deviendrait violet.
De futures utilisations ambitieuses
L’effet de cette réflexion change la fréquence de l’onde d’une manière que la technologie pourrait exploiter dans des domaines variés comme l’imagerie, l’informatique analogique et le filtrage optique. En effet, cette réalisation peut ouvrir la voie à des applications dans les communications sans fil et au développement de petits ordinateurs à faible consommation d’énergie et basés sur les ondes.
Le co-auteur Shixiong Yin, étudiant diplômé à CUNY ASRC et au City College de New York, déclare : « Les propriétés électromagnétiques des métamatériaux ont jusqu’à présent été conçues en combinant de manière intelligente de nombreuses interfaces spatiales ». Il ajoute : « Notre expérience montre qu’il est possible d’ajouter des interfaces temporelles dans le mélange, étendant les degrés de liberté pour manipuler les ondes. Nous avons également pu créer une version temporelle d’une cavité de résonnance, qui peut être utilisée pour réaliser une nouvelle forme de technologie de filtrage des signaux électromagnétiques ».
Combinée à des interfaces spatiales sur mesure, cette découverte ouvre la voie à de nouvelles technologies photoniques ainsi qu’à de nouvelles façons d’améliorer et de manipuler la lumière — et donc les interactions onde-matière.