Ο φωτονικός κρύσταλλος χρόνου ενισχύει τα μικροκύματα - Physics World

Ένα σημαντικό εμπόδιο στη δημιουργία φωτονικών κρυστάλλων χρόνου στο εργαστήριο έχει ξεπεραστεί από μια ομάδα ερευνητών στη Φινλανδία, τη Γερμανία και τις ΗΠΑ. Σεργκέι Τρετιακόφ στο Πανεπιστήμιο του Aalto και οι συνεργάτες του έχουν δείξει πώς οι ιδιότητες που μεταβάλλονται χρονικά αυτών των εξωτικών υλικών μπορούν να πραγματοποιηθούν πολύ πιο εύκολα σε 2D παρά σε 3D.

Πρώτη πρόταση από τον βραβευμένο με Νόμπελ Φρανκ Γουίλσεκ το 2012, οι κρύσταλλοι χρόνου είναι μια μοναδική και ποικιλόμορφη οικογένεια τεχνητών υλικών. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτά και τις ευρύτερες επιπτώσεις τους στη φυσική αυτό Κόσμος Φυσικής άρθρο από τον Philip Ball – αλλά με λίγα λόγια, διαθέτουν ιδιότητες που ποικίλλουν περιοδικά στο χρόνο. Αυτό είναι σε αντίθεση με τους συμβατικούς κρυστάλλους, οι οποίοι έχουν ιδιότητες που ποικίλλουν περιοδικά στο χώρο.

Στους φωτονικούς κρυστάλλους χρόνου (PhTC), οι ποικίλες ιδιότητες σχετίζονται με το πώς τα υλικά αλληλεπιδρούν με τα προσπίπτοντα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. «Το μοναδικό χαρακτηριστικό αυτών των υλικών είναι η ικανότητά τους να ενισχύουν τα εισερχόμενα κύματα λόγω της μη διατήρησης της κυματικής ενέργειας εντός των φωτονικών κρυστάλλων χρόνου», εξηγεί ο Tretyakov.

Ζώνες ορμής

Αυτή η ιδιότητα είναι αποτέλεσμα «κενών ζώνης ορμής» στα PhTC, στα οποία απαγορεύεται η διάδοση φωτονίων εντός συγκεκριμένων περιοχών ροπής. Λόγω των μοναδικών τους ιδιοτήτων των PhTC, τα πλάτη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσα σε αυτά τα διάκενα ζώνης αυξάνονται εκθετικά με την πάροδο του χρόνου. Αντίθετα, τα ανάλογα διάκενα ζώνης συχνοτήτων που σχηματίζονται σε κανονικούς, χωρικούς φωτονικούς κρυστάλλους PhTC, προκαλούν την εξασθένηση των κυμάτων με την πάροδο του χρόνου.

Τα PhTC είναι πλέον ένα δημοφιλές αντικείμενο θεωρητικής μελέτης. Μέχρι στιγμής, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι αυτοί οι κρύσταλλοι χρόνου διαθέτουν ένα μοναδικό σύνολο ιδιοτήτων. Αυτές περιλαμβάνουν εξωτικές τοπολογικές δομές και την ικανότητα ενίσχυσης της ακτινοβολίας από ελεύθερα ηλεκτρόνια και άτομα.

Σε πραγματικά πειράματα, ωστόσο, έχει αποδειχθεί πολύ δύσκολο να διαμορφωθούν οι φωτονικές ιδιότητες των 3D PhTC σε όλο τον όγκο τους. Μεταξύ των προκλήσεων περιλαμβάνεται η δημιουργία υπερβολικά πολύπλοκων δικτύων άντλησης – τα οποία δημιουργούν από μόνα τους παρασιτικές παρεμβολές με ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται μέσω του υλικού.

Μειωμένη διάσταση

Στη μελέτη τους, η ομάδα του Tretyakov ανακάλυψε μια απλή λύση σε αυτό το πρόβλημα. «Έχουμε μειώσει τη διάσταση των φωτονικών κρυστάλλων χρόνου από 3D σε 2D, επειδή είναι πολύ πιο εύκολο να κατασκευαστούν δομές 2D σε σύγκριση με δομές 3D», εξηγεί.

Το κλειδί για την επιτυχία της προσέγγισης της ομάδας βρίσκεται στη μοναδική φυσική των μεταεπιφανειών, οι οποίες είναι υλικά κατασκευασμένα από δισδιάστατες συστοιχίες δομών με μέγεθος υπομήκους κύματος. Αυτές οι δομές μπορούν να προσαρμοστούν σε μέγεθος, σχήμα και διάταξη προκειμένου να χειριστούν τις ιδιότητες των εισερχόμενων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με πολύ συγκεκριμένους και χρήσιμους τρόπους.

Αφού κατασκεύασε το νέο της σχέδιο μικροκυματικής μεταεπιφάνειας, η ομάδα έδειξε ότι το διάκενο της ορμής της ενίσχυε τα μικροκύματα εκθετικά.

Αυτά τα πειράματα έδειξαν ξεκάθαρα ότι οι χρονικά μεταβαλλόμενες μεταεπιφάνειες μπορούν να διατηρήσουν τις βασικές φυσικές ιδιότητες των 3D PhTC, με ένα βασικό πρόσθετο όφελος. «Η δισδιάστατη εκδοχή μας των φωτονικών κρυστάλλων χρόνου μπορεί να παρέχει ενίσχυση τόσο για κύματα ελεύθερου χώρου όσο και για κύματα επιφάνειας, ενώ οι αντίστοιχες 2D δεν μπορούν να ενισχύσουν τα επιφανειακά κύματα», εξηγεί ο Tretyakov.

Τεχνολογικές εφαρμογές

Με τα πλεονεκτήματά τους σε σχέση με τους τρισδιάστατους κρυστάλλους χρόνου, οι ερευνητές οραματίζονται ένα ευρύ φάσμα πιθανών τεχνολογικών εφαρμογών για το σχεδιασμό τους.

«Στο μέλλον, οι δισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι χρόνου μας θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε επαναδιαμορφώσιμες έξυπνες επιφάνειες σε συχνότητες μικροκυμάτων και χιλιοστών κυμάτων, όπως αυτές στην επερχόμενη ζώνη 2G», λέει ο Tretyakov. «Αυτό θα μπορούσε να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της ασύρματης επικοινωνίας».

Ενώ το μεταϋλικό τους έχει σχεδιαστεί ειδικά για το χειρισμό μικροκυμάτων, οι ερευνητές ελπίζουν ότι περαιτέρω προσαρμογές στη μεταεπιφάνειά τους θα μπορούσαν να επεκτείνουν τη χρήση του στο ορατό φως. Αυτό θα άνοιγε το δρόμο για την ανάπτυξη νέων προηγμένων οπτικών υλικών.

Κοιτάζοντας μακρύτερα στο μέλλον, ο Tretyakov και οι συνεργάτες του προτείνουν ότι τα 2D PhTC θα μπορούσαν να παρέχουν μια βολική πλατφόρμα για τη δημιουργία των ακόμη πιο εσωτερικών «κρυστάλλων χωροχρόνου». Αυτά είναι υποθετικά υλικά που θα εμφανίζουν επαναλαμβανόμενα μοτίβα στο χρόνο και στο χώρο ταυτόχρονα.

Η έρευνα περιγράφεται στο Προκαταβολές Επιστήμη.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/