تعمل بلورة الوقت الضوئية على تضخيم الموجات الدقيقة - عالم الفيزياء

تم التغلب على حاجز رئيسي أمام تكوين بلورات زمنية فوتونية في المختبر من قبل فريق من الباحثين في فنلندا وألمانيا والولايات المتحدة. سيرجي تريتياكوف في جامعة آلتو وزملاؤه كيف يمكن إدراك الخصائص المتغيرة بمرور الوقت لهذه المواد الغريبة بسهولة أكبر في 2D منها في 3D.

أول من اقترحه الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلتشيك في عام 2012 ، أصبحت بلورات الوقت مجموعة فريدة ومتنوعة من المواد الاصطناعية. يمكنك قراءة المزيد عنها وآثارها الأوسع على الفيزياء في عالم الفيزياء البند بواسطة Philip Ball - ولكن باختصار ، لديهم خصائص تختلف بشكل دوري في الوقت المناسب. هذا على عكس البلورات التقليدية ، التي لها خصائص تختلف بشكل دوري في الفضاء.

في بلورات الزمن الضوئية (PhTCs) ، ترتبط الخصائص المتغيرة بكيفية تفاعل المواد مع الموجات الكهرومغناطيسية العارضة. يوضح تريتياكوف أن "السمة الفريدة لهذه المواد هي قدرتها على تضخيم الموجات الواردة بسبب عدم حفظ طاقة الأمواج في بلورات الزمن الضوئية".

فجوات الزخم

هذه الخاصية هي نتيجة "فجوات الزخم" في PhTCs ، حيث يُمنع انتشار الفوتونات ضمن نطاقات محددة من العزم. نظرًا لخصائصها الفريدة لـ PhTCs ، فإن اتساع الموجات الكهرومغناطيسية داخل فجوات النطاق هذه تنمو بشكل كبير بمرور الوقت. في المقابل ، تتسبب فجوات التردد المماثلة التي تتشكل في بلورات فوتونية مكانية منتظمة PhTCs ، في توهين الموجات بمرور الوقت.

أصبحت PhTCs الآن موضوعًا شائعًا للدراسة النظرية. حتى الآن ، تشير الحسابات إلى أن بلورات الوقت هذه تمتلك مجموعة فريدة من الخصائص. وتشمل هذه الهياكل الطوبولوجية الغريبة ، والقدرة على تضخيم الإشعاع من الإلكترونات والذرات الحرة.

ومع ذلك ، فقد ثبت في تجارب حقيقية أنه من الصعب للغاية تعديل الخصائص الضوئية لـ 3D PhTCs في جميع أنحاء حجمها. من بين التحديات إنشاء شبكات ضخ شديدة التعقيد - والتي بدورها تخلق تداخلات طفيلية مع انتشار الموجات الكهرومغناطيسية عبر المادة.

أبعاد مخفضة

اكتشف فريق تريتياكوف في دراستهم حلًا بسيطًا لهذه المشكلة. "لقد قللنا من أبعاد بلورات الزمن الفوتونية من ثلاثي الأبعاد إلى ثنائي الأبعاد ، لأنه من الأسهل بكثير إنشاء هياكل ثنائية الأبعاد مقارنة بالهياكل ثلاثية الأبعاد" ، كما يوضح.

يكمن مفتاح نجاح نهج الفريق في الفيزياء الفريدة للسطوح الخارقة ، وهي مواد مصنوعة من مصفوفات ثنائية الأبعاد لهياكل ذات أطوال موجية فرعية. يمكن تصميم هذه الهياكل من حيث الحجم والشكل والترتيب من أجل معالجة خصائص الموجات الكهرومغناطيسية الواردة بطرق محددة للغاية ومفيدة.

بعد تصنيع التصميم الجديد للسطح الخارق للميكروويف ، أظهر الفريق أن فجوة نطاق الزخم لديها تضخيم الموجات الدقيقة بشكل كبير.

أظهرت هذه التجارب بوضوح أن الأسطح الخارقة المتغيرة بمرور الوقت يمكن أن تحافظ على الخصائص الفيزيائية الرئيسية لـ 3D PhTCs ، مع فائدة إضافية رئيسية واحدة. يوضح تريتياكوف: "يمكن أن توفر نسختنا ثنائية الأبعاد من بلورات الزمن الضوئية تضخيمًا لكل من موجات الفضاء الحر والموجات السطحية ، بينما لا تستطيع نظيراتها ثلاثية الأبعاد تضخيم الموجات السطحية".

التطبيقات التكنولوجية

مع مجموعة مزاياها على البلورات الزمنية ثلاثية الأبعاد ، يتصور الباحثون شعاعًا واسعًا من التطبيقات التكنولوجية المحتملة لتصميمهم.

يقول تريتياكوف: "في المستقبل ، يمكن دمج بلورات الزمن الفوتونية ثنائية الأبعاد الخاصة بنا في الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل في الموجات الميكروية وترددات الموجات المليمترية ، مثل تلك الموجودة في نطاق 2G القادم". "هذا يمكن أن يعزز كفاءة الاتصالات اللاسلكية."

في حين أن المادة الخارقة الخاصة بهم مصممة خصيصًا لمعالجة الموجات الدقيقة ، يأمل الباحثون أن المزيد من التعديلات على سطحها الخارق يمكن أن يوسع نطاق استخدامه ليشمل الضوء المرئي. هذا من شأنه أن يمهد الطريق لتطوير مواد بصرية جديدة ومتقدمة.

بالنظر إلى المستقبل ، يقترح تريتياكوف وزملاؤه أن PhTCs ثنائية الأبعاد يمكن أن توفر منصة ملائمة لإنشاء "بلورات الزمكان" الأكثر سرية. هذه مواد افتراضية تعرض أنماطًا متكررة في الزمان والمكان في وقت واحد.

تم وصف البحث في علم السلف.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• شراء وبيع الأسهم في شركات ما قبل الاكتتاب مع PREIPO®. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/