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In dieser Lücke plazieren wir jetzt unser zu versteckendes Ereignis. Anschließend durchläuft der Lichtstrahl wieder eine Glasfaser, die aber diesmal das umgekehrte Geschwindigkeitsverhältnis hat, so dass jetzt der vordere Teil gebremst und der hintere beschleunigt wird. Ist die Lücke wieder geschlossen, verschieben wir die Wellenlängen wieder passend so, dass eine ungestörte Welle entsteht:

i-917482380d23d5813e01aff1a2a70c46-timecloak3-thumb-550x188.jpg

Soweit das Prinzip. Die echte Kniffligkeit besteht natürlich vor allem darin, ein Lichtsignal passend aufzuspalten. Dazu nutzt man ein Gerät, das als “Zeitlinse” bezeichnet wird (genauer gesagt verwendet man halbierte Zeitlinsen, aber bevor ich das erkläre, kommt erst mal die ganze Zeitlinse). Da ich nicht so den Durchblick in Sachen Optik habe, sind die folgenden Erklärungen vermutlich etwas ungenau – wenn jemand von euch mehr Ahnung von Optik hat, tobt euch in den Kommentaren aus und ich korrigiere das hier entsprechend.

So wie normale Linsen Licht im Raum bündeln, bündeln Zeitlinsen Licht in der Zeit. Eine Linse fokussiert ja Lichtstrahlen auf einen Punkt im Raum (Bild von Wikipedia):

Sammellinse.svg
Von derivative work: Mouagip (talk) Sammellinse.png: Michael Schreiter Diese Vektorgrafik wurde mit dem Adobe Illustrator erstellt. – Sammellinse.png, CC BY-SA 3.0, Link

Damit kann man dann – das habt ihr sicher mal in der Schule gelernt – Lupen, Teleskope und Mikroskope bauen.

Eine Zeitlinse tut etwas Ähnliches. Sie “bündelt” einen Impuls in der Zeit – ein Lichtimpuls kann mit ihr zu einem kürzeren Impuls zusammengestaucht werden. Schematisch kann man das so zeichnen:

i-5a65091912bd1da770b50fb6b5d192e2-zeitlinse1.jpg

Dabei habe ich den Lichtimpuls als einfachen “Berg” gezeichnet. In Wahrheit besteht Licht aber ja aus Wellen – oder, anders gesagt, man kann jeden Lichtimpuls als Überlagerung von vielen Wellen darstellen. Das ist der Trick mit der Fourier-Transformation, den ich neulich in ganz anderem Zusammenhang schon mal erklärt habe.

Im Wellenbild bedeutet ein Zusammenstauchen des Impulses, dass wir mehr unterschiedliche Wellenlängen in das Lichtsignal einbauen müssen. Eine Zeitlinse modifiziert also einen Lichtimpuls, indem Anteile von Lichtwellen mit unterschiedlicher Wellenlänge hinzugefügt werden.

Wie ganz genau so eine “Zeitlinse” technisch funktioniert, habe ich nicht herausbekommen können – anscheinend schickt man das Lichtsignal in einen Wellenleiter (also einen leitenden Kanal), der aus Silizium gefertigt ist und einen Querschnitt von ein paar Hundert Nanometern hat (siehe z.B. hier). Die Mathematik dahinter ist auch nicht so ganz ohne…

Was wir hier brauchen, ist eine “halbierte Zeitlinse” (auch da muss ich leider passen, was die technischen Details angeht). Sie verschiebt die Frequenz eines Signals ebenfalls, aber fügt nur entweder kürzere oder längere Wellenlängen hinzu. Aus einem Signal mit konstanter Wellenlänge wird ein sogenanntes “Chirp”-Signal (chirp=”tschilp”). Hier ein Bild von Wikipedia, das mehr sagt als tausend Worte:

Linear-chirp.svg
Von Georg-JohannEigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link

Rechts im Bild ist die Frequenz hoch, dann wird sie kontrolliert niedriger (die Wellenlänge nimmt entsprechend zu).

Wir verwenden zwei solche “halbierte” Zeitlinsen, eine, die einen Teil des Signals kontrolliert zu längeren Wellenlängen verschiebt, eine, die das in Richtung kürzere Wellenlängen tut. Damit wird dann das zuvor gleichmäßig grüne Licht so verschoben, wie es oben im Teilbild b und f zu sehen ist. Der Rest ist dann “einfach” – wir brauchen nur die Glasfasern mit der passenden Dispersion.

Hier nochmal eine etwas andere Darstellung direkt aus der Veröffentlichung:

i-a7bb406441536a8b41e9c29beb27d8b8-timecloak4-thumb-550x195.jpg

Oben seht ihr nochmal den Aufbau selbst – die Schleifchen stellen die Glasfaser dar, die Zahl (in Einheiten ps/nm) gibt die Stärke der Dispersion – also der Wellenlängenabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit – an und ist links und rechts des zu verbergenden Ereignisses genau entgegengesetzt. In der unteren Bildhälfte seht ihr die Frequenzdarstellung des Signals, die zeigt, wie es durch die halbierten Zeitlinsen aufgespalten wird und dann durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten die Lücke entsteht und am Ende wieder zusammengefügt wird.

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Kommentare (19)

  1. #1 Bjoern
    29. Januar 2012

    Fans von Perry fühlen sich vielleicht beim Begriff “Zeitversteck” an das Antitemporale Gezeitenfeld erinnert,…

    Das war in der Tat bei der Überschrift mein erster Gedanke… 😀

    Schöner Artikel über ein interessantes Experiment! 🙂

  2. #2 MartinB
    29. Januar 2012

    “Das war in der Tat bei der Überschrift mein erster Gedanke…”
    Great minds think alike (oder auf deutsch “zwei doofe, ein Gedanke”) 🙂

  3. #3 rolak
    29. Januar 2012

    oder auf deutsch

    Völlig sinnleere Übersetzung, naheliegend wäre “Grete meint ähnlich zu denken”.

    Bei mir kam erst diese mehrfach verbratene Idee des “phasenverschoben zu unserer Zeit” in den Sinn, diese sich rausschieben/drehen aus unserer Raumzeit.
    Auch wenn nicht so besonders praktikabel klingend, ist die Idee des Lückenschaffens (zum Durchmogeln) recht faszinierend…

  4. #4 dii
    30. Januar 2012

    Ein sehr schöner Artikel, auch wenn ich nur so halb mitgekommen bin.
    Denn der Sinn erschließt sich mir noch nicht. Ausser man kann die “versteckten Impulse” auch wieder hervorholen?!

    Erinnert mich ein wenig an die Quantenkrypographieversuche mir Alice und Bob.

    Wenn das mit Schall auch klappen würde, wäre es evt anschaulicher, auch wenn Schallmultiplexing weitaus schwieriger ist. ^^

  5. #5 MartinB
    31. Januar 2012

    @dii
    Wenn man die versteckten Impulse wieder hervorholen könnte, wäre es ja keine Zeit-Tarnkappe…
    Sinn im direkten technischen Sinn hat das Ganze wohl im Moment nicht – es ist mehr eine Demonstration, dass man das vor kurzem theoretisch entwickelte Konzept tatsächlich umsetzen kann.

  6. #6 dii
    31. Januar 2012

    Ah, verstehe, also dass dies nur zur Testzwecken dienen soll. Aber ist dann nicht jegliches Multiplexing irgendwie eine Art “Zeit-Tarnkappe”?

    Denn wie du es oben beschreibst, sind diese “Zeitlinsen” eigentlich nichts anderes als
    Impulskompressionen zB in Lichtwellenleitern, dies ist mit gechirpten Faser-Bragg-Gittern möglich. (www.tu-harburg.de/et3/students/Skripte_ss11/V772.pdf)
    Das sind in Faser eingebrachte Bragg Gitter, die die chromatische Disperion in der Faser kompensieren sollen. (ist im obigen Diagramm auch angegeben)

    Also, wenn ich es recht verstehe haben sie einen Lichtpuls in einem kontinuierlichen Spektrum “versteckt”? Müsste ich mal nachdenken, ob dieser Prozess wirklich irreversibel ist.
    Wenn man evt “kohärente” Pulse verstecken könnte, könnte man diese mittels Laser als Hologram wieder auslesen können…aber ich denke dass ist zu große Spinnerei.. 😉

  7. #7 Frank Wappler
    1. Februar 2012

    Martin Bäker schrieb (29.01.12 · 16:00 Uhr):
    > […] Was wir hier brauchen, ist eine “halbierte Zeitlinse” (auch da muss ich leider passen, was die technischen Details angeht). […] Wir verwenden zwei solche “halbierte” Zeitlinsen

    Einige entsprechende Details enthält die “Supplementary Information” zum angegebenen Nature-Artikel, https://www.nature.com/nature/journal/v481/n7379/extref/nature10695-s1.pdf
    insbesondere die Beschreibung der Versuchsanordnung mit zwei (gegenüber einander versetzten) Spiegelhälften vor einem Beugungsgitter.

    > […] Wenn die Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge abhängt, spricht man übrigens auch von Dispersion.

    Man spricht natürlich auch und genauer von “Dispersion“, falls die Lichtgeschwindigkeit (im jeweiligen optischen Medium) von der Frequenz abhängt; einschl. z.B. den Fall, dass Licht verschiedener Frequenzen die gleiche Wellenlänge hätte, so dass keine Rede von “Wellenlängenabhängigkeit” wäre.

  8. #8 rolak
    1. Februar 2012

    ..von der Frequenz abhängt..

    ..was schon dadurch belegt wird, daß in den entsprechenden Formeln ausschließlich ω für die Frequenz und keinesfalls λ für die Wellenlänge als Variable genutzt wird.

  9. #9 MartinB
    1. Februar 2012

    @FW
    Ausnahmsweise mal danke für den Hinweis auf die Supp Info – die hatte ich beim Schreiben leider mangels Zugriff nicht zur Verfügung.

    @dii
    Hey, danke für das coole Skript, das kann ich super für meine Vorlesung gebrauchen.

    Ansonsten hast du recht, die Supp. Info zum Paper auf die FW aufmerksam gemacht hat, zeigt das auch so. Ich denke, das besondere hier ist eben, dass mand ie Manipulation so weit getrieben hat, dass eine echte Lücke im Signal entsteht, indem man zwei halbe Zeitlinsen verwendet hat.

  10. #10 Frank Wappler
    1. Februar 2012

    rolak schrieb (01.02.12 · 05:54 Uhr):
    > […] daß in den entsprechenden Formeln ausschließlich ω für die [Kreis-]Frequenz und keinesfalls λ für die Wellenlänge als Variable genutzt wird.

    Denn:
    in den angegebenen Formeln steht die Variable λ nicht für die Wellenlänge im jeweiligen
    optischen Medium, die kompatibel zum entsprechenden Brechungsindex “n” wäre,
    sondern für eine “Referenz-Wellenlänge ohne das jeweilige optischen Medium“, also als Abkürzung des Ausdrucks “c0 / f” bzw. “2 π c0 / ω”.

    Weitere Formeln, in denen ausschließlich die Frequenz f bzw. die Kreisfrequenz ω als Variable genutzt wird, und nicht die Wellenlänge im jeweiligen optischen Medium, finden sich z.B. in
    https://de.wikipedia.org/wiki/Lorentz-Oszillator und
    https://de.wikipedia.org/wiki/Kramers-Kronig-Relation#Anwendungen

  11. #11 dii
    2. Februar 2012

    @MB: hey bitte! musste ich aber auch erst einmal in Weiten des Netzes suchen.

    Aber ich merke schon hier lernt man NIE aus bzw IMMER was dazu.
    🙂

  12. #12 MartinB
    2. Februar 2012

    “Aber ich merke schon hier lernt man NIE aus bzw IMMER was dazu. ”
    Ohne das wär das Leben auch nur die Hälfte wert.

  13. #13 rolak
    2. Februar 2012

    wenn überhaupt.

  14. #14 Johannes K.
    4. Februar 2012

    Wie immer sehr guter Artikel. Ich muss Montag sowieso meine geometrische Optik Klausur schreiben und deshalb hat es ganz gut gepasst sich das hier mal anzugucken. Wozu das ganze allerdings in der Realität nutzbar ist wird nicht ganz klar. (Ist es überhaupt zu was nutze?)

  15. #15 MartinB
    4. Februar 2012

    @Johannes
    Siehe den letzten Absatz: Im Moment nein.

  16. #16 Johannes K.
    4. Februar 2012

    @MartinB: Ja, irgendwie ist mir der letzte Absatz scheinbar abhanden gekommen. 😉 Danke für die schnelle Antwort.

  17. #17 MartinB
    4. Februar 2012

    Null problemo, gehört alles zum Service.

  18. #18 Bullet
    8. Februar 2012

    (Oder ihr braucht langsames Glas wie in der SF-Geschichte “Light of other days” von Bob Shaw.)

    Sach ma … stöberst du heimlich in meiner Bibliothek? (Obwohl … ich hab nur “Das Licht besserer Tage” – hmmm)
    Ständig erwähnst du irgendwelche SF-Geschichten, die in MEINEM Bücherschrank stehen.

  19. #19 MartinB
    9. Februar 2012

    @Bullet
    Hast du da irgendwie Privatrechte?
    Die Geschichte (als Kurzgeschichte) habe ich vor ewigen Zeiten gelesen in einem SF-Sammelband.