Signalumkehr bei Spinwellen in einem künstlichen Kristall Forschern gelingt Umkehr der Zeit - scinexx | Das Wissensmagazin
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Signalumkehr bei Spinwellen in einem künstlichen Kristall

Forschern gelingt Umkehr der Zeit

Umkehr der Zeit: ein Eingangssignal (grün) wird von einer Antenne ausgesendet und breitet sich durch einen dynamischen künstlichen Kristall aus. Durch schnelle Veränderung der Kristalleigenschaften mittels eines Kontrollpulses (orange), kann eine zeitumgekehrte Version des Eingangssignals (rot) erzeugt werden. © TU Kaiserslautern

Einem internationale Forscherteam ist es gelungen, ein neues Verfahren zur Zeitumkehr magnetischer Wellen und Signale zu entwickeln. Wie sie jetzt in „Nature Communications“ berichten, leiteten sie dafür ein magnetisches Spinwellensignal durch einen künstlichen Kristall und veränderten währenddessen die Kristallstruktur so, dass eine Signalumkehr stattfand. Die neuen Erkenntnisse haben Bedeutung für zukünftige Signal- und Datenverarbeitung, aber auch für die Grundlagenforschung.

Im digitalen Zeitalter ist das „Rückwärts abspielen“ ein alltäglicher Vorgang: Will man beispielsweise ein Musikstück rückwärts abspielen, überspielt man das Stück einfach auf einen Computer und die Software erledigt den Rest. Aber nicht möglich ist es bisher, beispielsweise ein Mobnilfunk- oder Radiosignal rückwärts zu spielen ohne es vorher aufzunehmen. Diese Art der Zeitumkehr hätte große Auswirkungen auf die Verfahren der Signalverarbeitung, etwa in Kommunikationsnetzwerken. Bisher hatten alle Lösungsansätze gravierende Probleme in der Praxis: Entweder waren sie auf sehr einfache Signale beschränkt oder hatten wegen der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse einen sehr hohen Energieverbrauch.

Künstliche Kristalle als Basis

Ein Physiker-Team der Technischen Universität Kaiserslautern, der Oakland Universität in den USA und der britischen Universität von Oxford hat jetzt einen neuartigen Mechanismus der Zeitumkehr auf Basis von künstlichen Kristallen entwickelt. Diese besitzen ein „maßgeschneidertes“ Kristallgitter, das Signale wie Licht, Mikrowellen oder Schallwellen, die durch diese künstlichen Kristalle geleitet werden, auf teilweise überraschende Weise verändert.

Umschalten des Gittermusters während der Signalpassage

Der jetzt von den Forschern entwickelte Mechanismus beruht auf einem bestimmten Typ dynamischer künstlicher Kristalle. Bei diesen kann das Kristallgitter zeitabhängig verändert werden kann – quasi ein auf Knopfdruck verändertes Webmuster. Die Forscher konnten zeigen, dass man eine zeitumgekehrte Version eines Spinwellen-Signals erzeugen kann, indem man diesen Schalter umlegt, noch während sich das Signal durch den künstlichen Kristall bewegt. Es entsteht quasi eine spiegelbildliche Version des Wellenpakets, der normale Zeitverlauf wird umgekehrt.

Anwendungen in Signal- und Datenverarbeitung

Der jetzt an den Spinwellen gezeigte Effekt ist universell, und kann auf jegliche Wellen oder Signale übertragen werden. Die Ergebnisse haben nicht nur vielversprechende Auswirkungen auf die zukünftige Signal- und Datenverarbeitung, sondern ermöglichen auch aufregende Einblicke in die physikalischen Grundlagen von Signalen und Wellen. (Nature Communications (2010), DOI: 10.1038/ncomms1142)

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(Technische Universität Kaiserslautern, 16.12.2010 – NPO)

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