Fotonisk tidskrystal forstærker mikrobølger – Physics World

Fotonisk tidskrystal forstærker mikrobølger – Physics World

Tidsstempel: 13. maj 2023 kl. 10

Fotonisk tidskrystal
Tidsvarierende metamateriale: illustration af, hvordan en 2D fotonisk tidskrystal kan forstærke lysbølger. (Med høflighed: Xuchen Wang/Aalto University)

En stor barriere for at skabe fotoniske tidskrystaller i laboratoriet er blevet overvundet af et team af forskere i Finland, Tyskland og USA. Sergei Tretyakov ved Aalto Universitet og kolleger har vist, hvordan de tidsvarierende egenskaber af disse eksotiske materialer kan realiseres langt lettere i 2D end i 3D.

Først foreslået af nobelpristageren Frank Wilczek i 2012 er tidskrystaller en unik og mangfoldig familie af kunstige materialer. Du kan læse mere om dem og deres bredere implikationer for fysik i denne Fysik verden artikel af Philip Ball – men i en nøddeskal besidder de egenskaber, der varierer periodisk i tid. Dette er i modsætning til konventionelle krystaller, som har egenskaber, der varierer periodisk i rummet.

I fotoniske tidskrystaller (PhTC'er) er de varierende egenskaber relateret til, hvordan materialerne interagerer med indfaldende elektromagnetiske bølger. "Det unikke kendetegn ved disse materialer er deres evne til at forstærke indkommende bølger på grund af den manglende bevarelse af bølgeenergi inden for de fotoniske tidskrystaller," forklarer Tretyakov.

Momentum båndgab

Denne egenskab er et resultat af "momentum bandgaps" i PhTC'er, hvor fotoner inden for specifikke momentaområder er forbudt at udbrede sig. På grund af deres unikke egenskaber ved PhTC'er vokser amplituderne af elektromagnetiske bølger inden for disse båndgab eksponentielt over tid. I modsætning hertil får de analoge frekvensbåndgab, som dannes i regulære, rumlige fotoniske krystaller PhTC'er, bølger til at dæmpe sig over tid.

PhTC'er er nu et populært emne for teoretiske studier. Indtil videre tyder beregninger på, at disse tidskrystaller har et unikt sæt egenskaber. Disse omfatter eksotiske topologiske strukturer og en evne til at forstærke stråling fra frie elektroner og atomer.

I virkelige eksperimenter har det imidlertid vist sig meget vanskeligt at modulere de fotoniske egenskaber af 3D PhTC'er i hele deres volumen. Blandt udfordringerne kan nævnes skabelsen af ​​alt for komplekse pumpenetværk - som i sig selv skaber parasitinterferens med elektromagnetiske bølger, der forplanter sig gennem materialet.

Reduceret dimensionalitet

I deres undersøgelse opdagede Tretyakovs team en simpel løsning på dette problem. "Vi har reduceret dimensionaliteten af ​​fotoniske tidskrystaller fra 3D til 2D, fordi det er meget nemmere at konstruere 2D-strukturer sammenlignet med 3D-strukturer," forklarer han.

Nøglen til succesen med holdets tilgang ligger inden for den unikke fysik af metasurfaces, som er materialer lavet af 2D-arrays af strukturer i sub-bølgelængdestørrelse. Disse strukturer kan skræddersyes i størrelse, form og arrangement for at manipulere egenskaber af indkommende elektromagnetiske bølger på meget specifikke og nyttige måder.

Efter at have fremstillet deres nye mikrobølge-metasurface-design, viste holdet, at dets momentum-båndgap forstærkede mikrobølger eksponentielt.

Disse eksperimenter viste tydeligt, at tidsvarierende metaoverflader kan bevare de vigtigste fysiske egenskaber ved 3D PhTC'er, med en vigtig yderligere fordel. "Vores 2D-version af fotoniske tidskrystaller kan give forstærkning til både frirumsbølger og overfladebølger, mens deres 3D-modstykker ikke kan forstærke overfladebølger," forklarer Tretyakov.

Teknologiske applikationer

Med deres væld af fordele i forhold til 3D-tidskrystaller, forestiller forskerne sig en lang række potentielle teknologiske anvendelser til deres design.

"I fremtiden vil vores 2D fotoniske tidskrystaller kunne integreres i rekonfigurerbare intelligente overflader ved mikrobølge- og millimeterbølgefrekvenser, såsom dem i det kommende 6G-bånd," siger Tretyakov. "Dette kan øge effektiviteten af ​​trådløs kommunikation."

Mens deres metamateriale er designet specifikt til at manipulere mikrobølger, håber forskerne, at yderligere justeringer af deres metaoverflade kan udvide dets brug til synligt lys. Dette ville bane vejen for udviklingen af ​​nye avancerede optiske materialer.

Ser vi længere ind i fremtiden, foreslår Tretyakov og kolleger, at 2D PhTC'er kunne udgøre en bekvem platform til at skabe de endnu mere esoteriske "rum-tid-krystaller". Disse er hypotetiske materialer, der ville udvise gentagne mønstre i tid og rum samtidigt.

Forskningen er beskrevet i Science Forskud.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden