科學家首次證明，他們可以將光透過“時間裂縫”傳送到時間中。
這項新實驗是對一項有220年曆史的演示的改進，在該演示中，光線穿過螢幕上的兩條狹縫，在空間中形成獨特的衍射圖案，光波的波峰和波谷在此處疊加或抵消。在新實驗中，研究人員在時間上建立了類似的模式，本質上是改變了超短雷射脈衝的顏色。
這些發現為模擬計算機的進步鋪平了道路，模擬計算機可以操縱印在光束上的資料，而不是數字位——它甚至可能使此類計算機能夠“學習”資料。它們還加深了我們對光的基本性質及其與材料相互作用的理解。
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對於這項新研究，於4月3日在期刊《自然·物理學》上發表，研究人員使用了氧化銦錫（ITO），這是大多數手機螢幕中使用的材料。科學家們已經知道ITO可以響應光線從透明變為反射，但研究人員發現，這種情況發生的速度比之前認為的要快得多，在不到10飛秒（十億分之一秒的百萬分之一）的時間內。
“這是一個非常大的驚喜，起初我們無法解釋，”研究主要作者、倫敦帝國理工學院物理學家裡卡多·薩皮恩扎告訴Live Science。最終，研究人員透過仔細研究ITO中的電子如何響應入射光的理論，弄清楚了反應如此之快的原因。“但這花了我們很長時間才理解。”
時間取代空間
英國科學家托馬斯·楊在1801年首次使用現在經典的“雙縫”實驗證明了光的波動性。當光線照射到帶有兩條狹縫的螢幕上時，波會改變方向，因此從一條狹縫扇出的波與從另一條狹縫穿過的波重疊。這些波的波峰和波谷要麼疊加，要麼抵消，從而形成明暗條紋，稱為干涉圖案。
在新研究中，薩皮恩扎及其同事透過向塗有ITO的螢幕照射“泵浦”雷射脈衝，在時間上再現了這種干涉圖案。雖然ITO最初是透明的，但來自雷射的光改變了材料內部電子的特性，使得ITO像鏡子一樣反射光。隨後的“探測”雷射束照射到ITO螢幕時，會將這種光學特性的暫時變化視為時間上的狹縫，只有幾百飛秒長。使用第二個泵浦雷射脈衝使材料表現得好像它在時間上有兩條狹縫，這類似於光穿過空間雙縫的情況。
當光透過傳統的空間狹縫時，會導致光改變方向並扇出，而當光透過這些雙“時間狹縫”時，它的頻率會發生變化，頻率與其波長成反比。可見光的波長決定了它的顏色。
在新實驗中，干涉圖案以條紋的形式出現，或者在頻譜中出現額外的峰值，頻譜是不同頻率下測得的光強度的圖表。正如改變空間狹縫之間的距離會改變產生的干涉圖案一樣，時間狹縫之間的滯後決定了頻譜中干涉條紋的間距。在幅度降至背景噪聲水平之前，這些干涉圖案中可見的條紋數量揭示了ITO特性變化的速度；響應較慢的材料產生的可檢測干涉條紋較少。
這並不是科學家們第一次弄清楚如何在時間而不是空間上操縱光。例如，谷歌的科學家表示，他們的量子計算機“Sycamore”創造了一個時間晶體，這是一種新的物質狀態，它在時間上週期性地變化，而不是原子在空間中以週期性模式排列。
紐約城市大學的物理學家安德烈亞·阿盧沒有參與這些實驗，但做過在時間上產生光反射的獨立實驗，他將其描述為時間和空間如何可以互換的又一個“巧妙的演示”。
阿盧透過電子郵件告訴Live Science，“該實驗最引人注目的方面是，它證明了我們可以非常快速地且大幅度地切換這種材料（ITO）的介電常數[它定義了材料傳輸或反射光的程度]。” “這證實了這種材料可以成為時間反射和時間晶體演示的理想候選材料。”
研究人員希望利用這些現象來創造超材料，或者旨在以特定且通常複雜的方式改變光路徑的結構。
到目前為止，這些超材料是靜態的，這意味著改變超材料影響光路徑的方式需要使用全新的超材料結構——例如，每種不同型別的計算都需要一個新的模擬計算機，薩皮恩扎說。
薩皮恩扎說：“現在我們有了一種可以重新配置的材料，這意味著我們可以將其用於多種用途。” 他補充說，這種技術可以實現模仿大腦的神經形態計算。
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