當我們照鏡子的時候，我們習慣於看到我們的臉回望我們。反射的圖像是由電磁光波在鏡面上反彈產生的，形成了一種叫做空間反射的常見現象。同樣，聲波的空間反射形成迴聲，將我們的話按照我們說話的順序傳回給我們。

六十多年來，科學家們一直假設有可能觀察到一種不同形式的波反射，即所謂的時間性反射。與空間反射不同的是，空間反射是當光或聲波在空間的某一特定位置撞到一個邊界（如鏡子或牆壁）時產生的，而時間反射則是當波在其中傳播的整個介質突然在所有空間中突然改變其屬性時產生的。在這樣的事件中，波的一部分在時間上被逆轉，其頻率被轉換為新的頻率。

(a) 傳統的空間反射。一個人在照鏡子時看到自己的臉，或者當他們說話時，迴聲以同樣的順序傳回來。(b) 時間反射。人在照鏡子的時候看到自己的背影，他們看到自己的顏色不同。他們聽到自己的迴聲以相反的順序出現，類似於一盤倒帶。資料來源：Andrea Alu

到目前為止，這種現像從未被觀察到用於電磁波。這種缺乏證據的根本原因是，材料的光學特性不能輕易地以誘發時間反射的速度和幅度改變。然而，現在，在《自然-物理學》新發表的一篇論文中，紐約市立大學研究生中心高級科學研究中心（CUNY ASRC）的研究人員詳細介紹了一個突破性的實驗，他們能夠在一個定制的超材料中觀察到電磁信號的時間反射。

該論文的通訊作者、紐約市立大學研究生中心物理學特聘教授、紐約市立大學ASRC光子學計劃創始主任Andrea Alù說：”看到這一點真的很激動，因為這種反直覺的現像在很久以前就被預測到了，而且與空間反射的波相比，時間反射的波的表現是多麼不同。利用複雜的超材料設計，我們能夠實現及時改變材料特性的條件，既突然又有很大的反差”。

這一壯舉使在超材料中傳播的寬帶信號的很大一部分瞬間被時間逆轉和頻率轉換。這種效果形成了一種奇怪的迴聲，其中信號的最後一部分首先被反射。結果是，如果你要看一面時間鏡，你的反射會被翻轉，你會看到你的背部而不是你的臉。在這個觀察的聲學版本中，會聽到類似於磁帶倒帶時發出的聲音。

用於實現時間反射的實驗平台的插圖。一個控制信號（綠色）被用來均勻地激活一組沿金屬帶狀線分佈的開關。在關閉/打開開關時，這種定制的超材料的電磁阻抗突然減少/增加，導致寬帶正向傳播的信號（藍色）被部分時間反射，（紅色）其所有頻率被轉換。(改編自《自然-物理學》。)

研究人員還證明，由於寬帶頻率轉換，時間反射信號的持續時間在時間上被拉長了。因此，如果這些光信號對我們的眼睛是可見的，它們的所有顏色都會突然轉變，例如紅色會變成綠色，橙色會變成藍色，而黃色會出現紫色。

為了實現他們的突破，研究人員使用了工程超材料。他們將寬帶信號注入一條蜿蜒的金屬帶，該金屬帶長約6米，印在一塊板子上，並裝載了密集的電子開關陣列，與儲能電容相連。然後所有的開關同時被觸發，沿線的阻抗突然均勻地增加了一倍。這種電磁特性的快速而巨大的變化產生了一個時間接口，而測量的信號忠實地攜帶著傳入信號的時間反轉副本。

該實驗表明，實現時間接口是可能的，從中會產生高效的時間逆轉和寬帶電磁波的頻率轉換。這兩種操作都為極端波的控制提供了新的自由度。這一成就可以為無線通信中令人興奮的應用以及小型、低能量、基於波的計算機的發展鋪平道路。

論文的共同第一作者、紐約市立大學ASRC的博士後研究員徐根玉說：”在以前的研究中，阻礙時間反射的關鍵路障是認為需要大量的能量來創造一個時間界面。要足夠快地、均勻地、以足夠大的對比度改變介質的屬性來時間反映電磁信號是非常困難的，因為它們的振盪非常快。我們的想法是避免改變主材料的屬性，而是創造一種超材料，在其中通過快速開關可以突然增加或減少額外的元素。”

“迄今為止，超材料的奇異電磁特性是通過以巧妙的方式組合許多空間界面來設計的，”共同第一作者、紐約市立大學ASRC和紐約城市學院的研究生尹世雄補充說。”我們的實驗表明，有可能將時間接口添加到混合中，擴大操縱波的自由度。我們還能夠創建一個時間版的諧振腔，它可以用來實現一種新形式的電磁信號過濾技術。”

引入的超材料平台可以有力地結合多個時間界面，實現電磁時間晶體和時間超材料。與量身定制的空間接口相結合，這一發現有可能為光子技術開闢新的方向，並為增強和操縱波與物質的相互作用提供新的途徑。