Cristal de tiempo fotónico amplifica microondas – Physics World

Un equipo de investigadores de Finlandia, Alemania y EE. UU. ha superado una barrera importante para crear cristales de tiempo fotónicos en el laboratorio. Serguéi Tretiakov en la Universidad de Aalto y sus colegas han demostrado cómo las propiedades variables en el tiempo de estos materiales exóticos se pueden realizar mucho más fácilmente en 2D que en 3D.

Propuesto por primera vez por el premio Nobel Frank Wilczek en 2012, los cristales de tiempo son una familia única y diversa de materiales artificiales. Puede leer más sobre ellos y sus implicaciones más amplias para la física en así Mundo de la física artículo por Philip Ball, pero en pocas palabras, poseen propiedades que varían periódicamente en el tiempo. Esto es diferente a los cristales convencionales, que tienen propiedades que varían periódicamente en el espacio.

En los cristales fotónicos de tiempo (PhTC), las diferentes propiedades están relacionadas con la forma en que los materiales interactúan con las ondas electromagnéticas incidentes. "La característica única de estos materiales es su capacidad para amplificar las ondas entrantes debido a la falta de conservación de la energía de las ondas dentro de los cristales fotónicos del tiempo", explica Tretyakov.

Bandas prohibidas de impulso

Esta propiedad es el resultado de las "bandas prohibidas de momento" en las PhTC, en las que se prohíbe la propagación de fotones dentro de rangos específicos de momento. Debido a las propiedades únicas de las PhTC, las amplitudes de las ondas electromagnéticas dentro de estas bandas prohibidas crecen exponencialmente con el tiempo. Por el contrario, las bandas prohibidas de frecuencia análogas que se forman en los PhTC de cristales fotónicos espaciales regulares hacen que las ondas se atenúen con el tiempo.

Los PhTC son ahora un tema popular de estudio teórico. Hasta ahora, los cálculos sugieren que estos cristales de tiempo poseen un conjunto único de propiedades. Estos incluyen estructuras topológicas exóticas y la capacidad de amplificar la radiación de electrones y átomos libres.

En experimentos reales, sin embargo, ha resultado muy difícil modular las propiedades fotónicas de las PhTC 3D en todo su volumen. Entre los desafíos se incluye la creación de redes de bombeo demasiado complejas, que a su vez crean interferencias parásitas con ondas electromagnéticas que se propagan a través del material.

Dimensionalidad reducida

En su estudio, el equipo de Tretyakov descubrió una solución simple a este problema. “Hemos reducido la dimensionalidad de los cristales de tiempo fotónicos de 3D a 2D, porque es mucho más fácil construir estructuras 2D en comparación con estructuras 3D”, explica.

La clave del éxito del enfoque del equipo radica en la física única de las metasuperficies, que son materiales hechos de matrices 2D de estructuras de tamaño inferior a la longitud de onda. Estas estructuras se pueden adaptar en tamaño, forma y disposición para manipular las propiedades de las ondas electromagnéticas entrantes de manera altamente específica y útil.

Después de fabricar su nuevo diseño de metasuperficie de microondas, el equipo demostró que su banda prohibida de impulso amplificaba las microondas exponencialmente.

Estos experimentos demostraron claramente que las metasuperficies variables en el tiempo pueden preservar las propiedades físicas clave de las PhTC 3D, con un beneficio adicional clave. “Nuestra versión 2D de cristales de tiempo fotónicos puede proporcionar amplificación tanto para las ondas de espacio libre como para las ondas superficiales, mientras que sus contrapartes 3D no pueden amplificar las ondas superficiales”, explica Tretyakov.

Aplicaciones tecnológicas

Con su gran cantidad de ventajas sobre los cristales de tiempo 3D, los investigadores prevén una amplia gama de posibles aplicaciones tecnológicas para su diseño.

“En el futuro, nuestros cristales de tiempo fotónicos 2D podrían integrarse en superficies inteligentes reconfigurables en frecuencias de microondas y ondas milimétricas, como las de la próxima banda 6G”, dice Tretyakov. “Esto podría mejorar la eficiencia de la comunicación inalámbrica”.

Si bien su metamaterial está diseñado específicamente para manipular microondas, los investigadores esperan que los ajustes adicionales a su metasuperficie puedan extender su uso a la luz visible. Esto allanaría el camino para el desarrollo de nuevos materiales ópticos avanzados.

Mirando más hacia el futuro, Tretyakov y sus colegas sugieren que los PhTC 2D podrían proporcionar una plataforma conveniente para crear los "cristales de espacio-tiempo" aún más esotéricos. Estos son materiales hipotéticos que exhibirían patrones repetidos en el tiempo y el espacio simultáneamente.

La investigación se describe en Science Advances.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoAiStream. Inteligencia de datos Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• Acuñando el futuro con Adryenn Ashley. Accede Aquí.
• Compra y Vende Acciones en Empresas PRE-IPO con PREIPO®. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/