Zeitumkehr auf Knopfdruck

In einem dynamischen Kristall kann die zeitumgekehrte Version eines Signals erzeugt werden.

Ist es möglich, ein Signal rückwärts zu spielen ohne es vorher aufzunehmen, zu verarbeiten und wieder abzuspielen? Diese Art der Zeitumkehr hätte große Auswirkungen auf die Verfahren der Signalverarbeitung, etwa in Kommunikationsnetzwerken. Wissenschaftlern der TU Kaiserslautern ist es mit Kollegen von der Oakland University (USA) und der University of Oxford (Großbritannien) gelungen, ein entsprechendes Verfahren zur Zeitumkehr magnetischer Wellen auf Basis von künstlichen Kristallen zu entwickeln.

Bisherige Mechanismen zur Zeitumkehr von gepulsten Signalen oder propagierenden Wellenpaketen waren auf nichtlineare Phänomene wie der Vierwellenmischung angewiesen. Die Ansätze wiesen für die Praxis relevante Probleme auf. Entweder waren sie auf sehr einfache Signale beschränkt oder hatten einen sehr hohen Energieverbrauch. Nun gelang es, in einem Experiment eine lineare Zeitumkehr zu realisieren. Der Mechanismus basiert auf der dynamischen Kontrolle einer künstlichen Kristallstruktur. Die Forscher haben den Zeitumkehr-Effekt an magnetischen Wellen, sogenannten Spinwellen gezeigt. Sie nutzten dazu die magnetischen Eigenschaften eines dynamischen magnonischen Kristalls aus.

Der Kristall wurde von einem homogenen in einen Zustand geschaltet, in welchem die Kristalleigenschaften mit der räumlichen Periode a variieren. Der Kristall wurde geschaltet, während sich das Wellenpaket durch ihn bewegte. Dadurch kam es zu einer linearen Kopplung von Wellenkomponenten mit dem Wellenvektor k≈π/a und solchen mit dem Wellenvektor k′=k−2π/a≈−π/a. Das führte zu einer spektralen Inversion und damit einher gehend zur Bildung eines zeitumgekehrten Wellenpakets. Da der Effekt universell ist, kann er auf jegliche Wellen oder Signale in künstlichen Kristallsystemen übertragen werden.

TU Kaiserslautern/MH