Fotooniline ajakristall võimendab mikrolaineid – füüsikamaailm

Soome, Saksamaa ja USA teadlaste meeskond on ületanud suure takistuse fotooniliste ajakristallide loomisel laboris. Sergei Tretjakov Aalto ülikoolis ja kolleegid on näidanud, kuidas nende eksootiliste materjalide ajas muutuvaid omadusi saab 2D-s palju lihtsamini realiseerida kui 3D-s.

Esimest korda pakkus välja Nobeli preemia laureaat Frank Wilczek 2012. aastal on ajakristallid ainulaadne ja mitmekesine tehismaterjalide perekond. Lisateavet nende ja nende laiema mõju kohta füüsikale saate lugeda see Füüsika maailm artikkel Philip Ball – kuid lühidalt öeldes on neil omadused, mis ajas perioodiliselt muutuvad. See erineb tavalistest kristallidest, mille omadused ruumis perioodiliselt muutuvad.

Fotoonilistes ajakristallides (PhTC) on erinevad omadused seotud sellega, kuidas materjalid interakteeruvad langevate elektromagnetlainetega. "Nende materjalide ainulaadne omadus on nende võime võimendada sissetulevaid laineid, mis on tingitud laineenergia mittesäilimisest fotoonilistes ajakristallides, " selgitab Tretjakov.

Momentum bandgaps

See omadus tuleneb PhTC-des esinevatest impulssribadest, mille puhul on teatud momentivahemikes footonitel levimine keelatud. PhTC-de ainulaadsete omaduste tõttu kasvavad nendes ribavahemikes olevate elektromagnetlainete amplituudid aja jooksul eksponentsiaalselt. Seevastu tavalistes ruumilistes fotoonilistes PhTC-kristallides moodustuvad analoogsed sagedusribad põhjustavad aja jooksul lainete nõrgenemist.

PhTC-d on nüüd populaarne teoreetilise õppe teema. Siiani näitavad arvutused, et neil ajakristallidel on ainulaadsed omadused. Nende hulka kuuluvad eksootilised topoloogilised struktuurid ja võime võimendada vabade elektronide ja aatomite kiirgust.

Reaalsetes katsetes on aga osutunud väga keeruliseks 3D PhTC-de fotooniliste omaduste moduleerimine kogu nende mahu ulatuses. Väljakutsete hulgas on ka liiga keeruliste pumpamisvõrkude loomine, mis ise tekitavad parasiitide häireid läbi materjali levivate elektromagnetlainetega.

Vähendatud mõõtmed

Tretjakovi meeskond avastas oma uuringus sellele probleemile lihtsa lahenduse. "Oleme fotooniliste ajakristallide mõõtmeid vähendanud 3D-lt 2D-le, kuna 2D-struktuure on palju lihtsam konstrueerida võrreldes 3D-struktuuridega," selgitab ta.

Meeskonna lähenemisviisi edu võti seisneb metapindade ainulaadses füüsikas, mis on materjalid, mis on valmistatud alamlainepikkuse suurusega struktuuride 2D massiividest. Neid struktuure saab kohandada suuruse, kuju ja paigutusega, et manipuleerida sissetulevate elektromagnetlainete omadustega väga spetsiifilistel ja kasulikel viisidel.

Pärast uue mikrolaineahju metapinna kujunduse valmistamist näitas meeskond, et selle impulsi ribalaius võimendas mikrolaineid eksponentsiaalselt.

Need katsed näitasid selgelt, et ajas muutuvad metapinnad võivad säilitada 3D PhTC-de peamised füüsikalised omadused, millel on üks oluline lisaeelis. "Meie fotooniliste ajakristallide 2D-versioon suudab võimendada nii vaba ruumi laineid kui ka pinnalaineid, samas kui nende 3D-kaaslased ei suuda pinnalaineid võimendada, " selgitab Tretjakov.

Tehnoloogilised rakendused

Tänu oma paljudele eelistele 3D-ajakristallide ees näevad teadlased nende disaini jaoks ette palju potentsiaalseid tehnoloogilisi rakendusi.

"Tulevikus võiks meie 2D fotoonilised ajakristallid integreerida ümberkonfigureeritavatesse intelligentsetesse pindadesse mikrolaine- ja millimeeterlaine sagedustel, näiteks tulevases 6G sagedusalas, " ütleb Tretjakov. "See võib suurendada traadita side tõhusust."

Kuigi nende metamaterjal on loodud spetsiaalselt mikrolainetega manipuleerimiseks, loodavad teadlased, et nende metapinna edasised kohandused võivad laiendada selle kasutamist nähtavale valgusele. See sillutaks teed uute täiustatud optiliste materjalide väljatöötamiseks.

Vaadates kaugemale tulevikku, viitavad Tretjakov ja kolleegid, et 2D PhTC-d võiksid pakkuda mugavat platvormi veelgi esoteerilisemate "ruumi-aja kristallide" loomiseks. Need on hüpoteetilised materjalid, millel oleks samaaegselt korduvad mustrid ajas ja ruumis.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Teadus ettemaksed.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoAiStream. Web3 andmete luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Tuleviku rahapaja Adryenn Ashley. Juurdepääs siia.
• Ostke ja müüge IPO-eelsete ettevõtete aktsiaid koos PREIPO®-ga. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/