Photonischer Zeitkristall verstärkt Mikrowellen – Physics World

Ein Forscherteam aus Finnland, Deutschland und den USA hat ein großes Hindernis für die Herstellung photonischer Zeitkristalle im Labor überwunden. Sergej Tretjakow an der Aalto-Universität und Kollegen haben gezeigt, wie sich die zeitlich variierenden Eigenschaften dieser exotischen Materialien viel einfacher in 2D als in 3D realisieren lassen.

Zuerst vom Nobelpreisträger vorgeschlagen Frank wilczek Im Jahr 2012 sind Zeitkristalle eine einzigartige und vielfältige Familie künstlicher Materialien. Mehr über sie und ihre umfassenderen Auswirkungen auf die Physik können Sie in lesen fehlen uns die Worte. Physik-Welt Artikel von Philip Ball – aber kurz gesagt, sie besitzen Eigenschaften, die sich im Laufe der Zeit periodisch ändern. Dies ist anders als bei herkömmlichen Kristallen, deren Eigenschaften im Raum periodisch variieren.

Bei photonischen Zeitkristallen (PhTCs) hängen die unterschiedlichen Eigenschaften damit zusammen, wie die Materialien mit einfallenden elektromagnetischen Wellen interagieren. „Das einzigartige Merkmal dieser Materialien ist ihre Fähigkeit, eingehende Wellen zu verstärken, da die Wellenenergie innerhalb der photonischen Zeitkristalle nicht erhalten bleibt“, erklärt Tretjakow.

Impulsbandlücken

Diese Eigenschaft ist ein Ergebnis von „Impulsbandlücken“ in PhTCs, in denen Photonen innerhalb bestimmter Impulsbereiche an der Ausbreitung gehindert werden. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften von PhTCs wachsen die Amplituden elektromagnetischer Wellen innerhalb dieser Bandlücken mit der Zeit exponentiell. Im Gegensatz dazu führen die analogen Frequenzbandlücken, die sich in regelmäßigen, räumlichen photonischen Kristallen (PhTCs) bilden, dazu, dass Wellen mit der Zeit schwächer werden.

PhTCs sind heute ein beliebtes Thema theoretischer Studien. Bisherige Berechnungen deuten darauf hin, dass diese Zeitkristalle einzigartige Eigenschaften besitzen. Dazu gehören exotische topologische Strukturen und die Fähigkeit, die Strahlung freier Elektronen und Atome zu verstärken.

In realen Experimenten hat es sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, die photonischen Eigenschaften von 3D-PhTCs über ihr gesamtes Volumen zu modulieren. Zu den Herausforderungen gehört die Schaffung übermäßig komplexer Pumpnetzwerke, die ihrerseits parasitäre Interferenzen mit elektromagnetischen Wellen erzeugen, die sich durch das Material ausbreiten.

Reduzierte Dimensionalität

In ihrer Studie entdeckte Tretjakows Team eine einfache Lösung für dieses Problem. „Wir haben die Dimensionalität photonischer Zeitkristalle von 3D auf 2D reduziert, weil es viel einfacher ist, 2D-Strukturen zu konstruieren als 3D-Strukturen“, erklärt er.

Der Schlüssel zum Erfolg des Ansatzes des Teams liegt in der einzigartigen Physik von Metaoberflächen, bei denen es sich um Materialien handelt, die aus 2D-Anordnungen von Strukturen mit einer Größe unterhalb der Wellenlänge bestehen. Diese Strukturen können in Größe, Form und Anordnung maßgeschneidert werden, um die Eigenschaften der einfallenden elektromagnetischen Wellen auf hochspezifische und nützliche Weise zu manipulieren.

Nach der Herstellung ihres neuen Mikrowellen-Metaoberflächendesigns zeigte das Team, dass die Impulsbandlücke Mikrowellen exponentiell verstärkt.

Diese Experimente haben deutlich gezeigt, dass zeitlich veränderliche Metaoberflächen die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von 3D-PhTCs bewahren können, mit einem entscheidenden zusätzlichen Vorteil. „Unsere 2D-Version photonischer Zeitkristalle kann sowohl Freiraumwellen als auch Oberflächenwellen verstärken, während ihre 3D-Gegenstücke Oberflächenwellen nicht verstärken können“, erklärt Tretjakow.

Technologische Anwendungen

Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile gegenüber 3D-Zeitkristallen sehen die Forscher eine Vielzahl potenzieller technologischer Anwendungen für ihr Design.

„Zukünftig könnten unsere 2D-photonischen Zeitkristalle in rekonfigurierbare intelligente Oberflächen mit Mikrowellen- und Millimeterwellenfrequenzen integriert werden, beispielsweise im kommenden 6G-Band“, sagt Tretjakow. „Dies könnte die Effizienz der drahtlosen Kommunikation verbessern.“

Während ihr Metamaterial speziell für die Manipulation von Mikrowellen konzipiert ist, hoffen die Forscher, dass weitere Anpassungen ihrer Metaoberfläche ihre Verwendung auf sichtbares Licht ausweiten könnten. Dies würde den Weg für die Entwicklung neuer fortschrittlicher optischer Materialien ebnen.

Mit Blick auf die weitere Zukunft schlagen Tretjakow und Kollegen vor, dass 2D-PhTCs eine praktische Plattform für die Herstellung der noch esoterischeren „Raum-Zeit-Kristalle“ bieten könnten. Hierbei handelt es sich um hypothetische Materialien, die sich gleichzeitig in Zeit und Raum wiederholen würden.

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft Fortschritte.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/