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Lichtimpuls lässt Mikrowellen rückwärts laufen
Bei gewöhnlichen Reflexionen prallen Wellen an Grenzen im Raum ab. Ein Experiment mit Mikrowellen zeigt, dass ein blitzschneller Wechsel der elektrischen Eigenschaften eine andere Form der Reflexion auslösen kann. Der zurücklaufende Puls ändert dabei nicht nur seine Ausbreitungsrichtung, sondern auch seine zeitliche Abfolge und seine Frequenz.
West Lafayette (U.S.A.). Wenn elektromagnetische Wellen auf die Grenze zwischen zwei Materialien treffen, wird ein Teil zurückgeworfen und ein anderer Teil weitergeleitet. Eine solche räumliche Reflexion kennt man vom Licht am Spiegel und von Mikrowellen in elektrischen Leitungen. Die Frequenz der Wellen bleibt bei einer unbeweglichen Grenze normalerweise erhalten.
Anders liegt der Fall, wenn sich die Eigenschaften eines Mediums schlagartig zu einem bestimmten Zeitpunkt verändern. Dann entsteht eine Grenze in der Zeit, an der sich eine bereits im Medium laufende Welle in einen vorwärtslaufenden und einen rückwärtslaufenden Anteil aufteilen kann. Weil die Änderung den gesamten Wellenzug gleichzeitig trifft, kann sich die Abfolge des zurücklaufenden Signals umkehren. Eine solche Zeitreflexion unterscheidet sich grundlegend vom Echo an einer festen Wand.
Forscher der Purdue University um Prof. Dimitrios Peroulis haben eine solche Zeitreflexion in einem elektronischen Schaltkreis experimentell untersucht. Dafür nutzten sie eine Mikrowellenleitung mit 16 regelmäßig angeordneten Schaltelementen, deren elektrische Eigenschaften sich durch einen gemeinsamen Lichtimpuls sehr schnell verändern ließen.
In jedem Element schaltete eine lichtempfindliche Diode bei Beleuchtung einen zusätzlichen Kondensator hinzu. Dadurch sank die charakteristische Impedanz der Leitung von 60 auf 40 Ohm, was die Ausbreitungsbedingungen der Mikrowellen abrupt veränderte. Die Fotodioden benötigten für den Schaltvorgang gemessene 311 Pikosekunden, also weniger als eine Milliardstelsekunde. Die Lichtsignale erreichten die 16 Schalter nahezu gleichzeitig, während der Mikrowellenpuls vollständig innerhalb der Leitung lag.
Um die Umkehr zu erkennen, speiste das Team zunächst einen Puls mit zwei unterschiedlich hohen Signalspitzen ein. Dabei lief die kleinere Spitze vor der größeren durch die Leitung. Nach der ausgelösten Zeitreflexion erreichte hingegen die größere Spitze zuerst den Eingangsanschluss, während sich der andere Signalanteil in ursprünglicher Reihenfolge zum Ausgang bewegte. Bei einer gewöhnlichen Reflexion an einer räumlichen Grenze würde die vordere Spitze auch zuerst zurückkehren.
Zudem konnten die Forscher den Zeitpunkt des zurücklaufenden Pulses beeinflussen, indem sie den Lichtimpuls früher oder später auslösten. Das bestätigt, dass der beobachtete Rücklauf durch den zeitlichen Schaltvorgang entstand. Die Welle bewegte sich dabei nicht in die Vergangenheit, sondern rückwärts durch den Raum. Umgekehrt wurde die zeitliche Reihenfolge innerhalb des Signals.
Die Zeitgrenze hinterließ außerdem eine messbare Spur im Frequenzspektrum. Ein Mikrowellenimpuls mit einer Mittenfrequenz von 0,59 Gigahertz erzeugte einen reflektierten Anteil bei 0,43 Gigahertz und einen weiterlaufenden Anteil bei 0,51 Gigahertz. Beide veränderten damit ihre Frequenz gegenüber dem ursprünglichen Signal. Die Abweichung vom einfachen theoretischen Modell führen die Autoren möglicherweise auf die begrenzte Länge der Versuchsstrecke zurück.
Ein weiterer Versuch prüfte die Phase der Mikrowellen, also die Lage ihrer Schwingungen innerhalb des Signals. Dafür verwendete das Team einen Puls, dessen Frequenz und Phase sich gezielt über die Zeit veränderten. Im reflektierten Anteil verlief die gemessene Phasenentwicklung entgegengesetzt zu der des eintreffenden und des weiterlaufenden Anteils. Diese Phasenkonjugation liefert einen experimentellen Beleg dafür, dass die Zeitreflexion mehr bewirkt als nur eine Richtungsumkehr.
Die Versuche zeigen, dass sich Zeitreflexion bei Mikrowellen durch einen schnellen optischen Schaltvorgang kontrollier