Fotoninen aikakide vahvistaa mikroaaltoja – Physics World

Tutkijaryhmä Suomessa, Saksassa ja Yhdysvalloissa on voittanut suuren esteen fotonisten aikakiteiden luomiselle laboratoriossa. Sergei Tretjakov Aalto-yliopistossa ja työtoverit ovat osoittaneet, kuinka näiden eksoottisten materiaalien ajassa vaihtelevat ominaisuudet voidaan toteuttaa paljon helpommin 2D:ssä kuin 3D:ssä.

Ensin ehdotti Nobel-palkittu Frank Wilczek Vuonna 2012 aikakiteet ovat ainutlaatuinen ja monipuolinen keinotekoisten materiaalien perhe. Voit lukea lisää niistä ja niiden laajemmista vaikutuksista fysiikkaan tätä Fysiikan maailma artikkeli kirjoittanut Philip Ball – mutta pähkinänkuoressa niillä on ominaisuuksia, jotka vaihtelevat aika ajoin. Tämä on toisin kuin tavanomaiset kiteet, joiden ominaisuudet vaihtelevat ajoittain avaruudessa.

Fotonisissa aikakiteissä (PhTC:t) vaihtelevat ominaisuudet liittyvät siihen, kuinka materiaalit ovat vuorovaikutuksessa tulevien sähkömagneettisten aaltojen kanssa. "Näiden materiaalien ainutlaatuinen ominaisuus on niiden kyky vahvistaa saapuvia aaltoja, koska aaltoenergia ei säily fotonisissa aikakiteissä", Tretjakov selittää.

Momentum bandgaps

Tämä ominaisuus on seurausta PhTC:iden "momenttikaistavälistä", jossa tietyillä momenttialueilla olevien fotonien eteneminen on kielletty. PhTC:iden ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta sähkömagneettisten aaltojen amplitudit näissä kaistavälissä kasvavat eksponentiaalisesti ajan myötä. Sitä vastoin analogiset taajuuskaistavälit, jotka muodostuvat säännöllisissä, spatiaalisissa fotonikiteissä PhTC:issä, aiheuttavat aaltojen vaimenemisen ajan myötä.

PhTC:t ovat nykyään suosittu teoreettisen tutkimuksen aihe. Tähän mennessä laskelmat viittaavat siihen, että näillä aikakiteillä on ainutlaatuinen joukko ominaisuuksia. Näitä ovat eksoottiset topologiset rakenteet ja kyky vahvistaa vapaiden elektronien ja atomien säteilyä.

Todellisissa kokeissa on kuitenkin osoittautunut erittäin vaikeaksi moduloida 3D-phTC:iden fotonisia ominaisuuksia koko niiden tilavuudessa. Haasteisiin kuuluu liian monimutkaisten pumppausverkkojen luominen – jotka itse aiheuttavat loishäiriöitä materiaalin läpi eteneville sähkömagneettisille aalloille.

Vähentynyt ulottuvuus

Tretjakovin tiimi löysi tutkimuksessaan yksinkertaisen ratkaisun tähän ongelmaan. "Olemme vähentäneet fotonisten aikakiteiden ulottuvuutta 3D:stä 2D:ksi, koska 2D-rakenteiden rakentaminen on paljon helpompaa verrattuna 3D-rakenteisiin", hän selittää.

Avain tiimin lähestymistavan menestykseen piilee metapintojen ainutlaatuisessa fysiikassa, jotka ovat materiaaleja, jotka on valmistettu 2D-ryhmistä aliaallonpituuden kokoisista rakenteista. Näitä rakenteita voidaan räätälöidä koon, muodon ja järjestelyn suhteen, jotta voidaan manipuloida saapuvien sähkömagneettisten aaltojen ominaisuuksia erittäin spesifisillä ja hyödyllisillä tavoilla.

Valmistettuaan uuden mikroaaltouunin metapinnan suunnittelun, tiimi osoitti, että sen liikerata vahvisti mikroaaltoja eksponentiaalisesti.

Nämä kokeet osoittivat selvästi, että ajassa vaihtelevat metapinnat voivat säilyttää 3D PhTC:iden keskeiset fysikaaliset ominaisuudet, ja niissä on yksi tärkeä lisäetu. "2D-versiomme fotonisista aikakiteistä voi tarjota vahvistusta sekä vapaan tilan aallolle että pinta-aaltoille, kun taas niiden 3D-vastineet eivät voi vahvistaa pinta-aaltoja", Tretjakov selittää.

Tekniset sovellukset

Monien etujensa ansiosta 3D-aikakiteisiin verrattuna tutkijat suunnittelevat laajan valikoiman mahdollisia teknologisia sovelluksia suunnittelulleen.

"Tulevaisuudessa 2D-fotoniset aikakiteemme voitaisiin integroida uudelleenkonfiguroitaviin älykkäisiin pintoihin mikroaalto- ja millimetriaaltotaajuuksilla, kuten tulevalla 6G-kaistalla", Tretjakov sanoo. "Tämä voisi parantaa langattoman viestinnän tehokkuutta."

Vaikka heidän metamateriaalinsa on suunniteltu erityisesti mikroaaltojen manipulointiin, tutkijat toivovat, että metapinnan lisäsäädöt voisivat laajentaa sen käyttöä näkyvään valoon. Tämä tasoittaisi tietä uusien kehittyneiden optisten materiaalien kehittämiselle.

Tarkastellessaan pidemmälle tulevaisuuteen Tretjakov ja kollegat ehdottavat, että 2D PhTC:t voisivat tarjota kätevän alustan vielä esoteerisempien "avaruus-aika-kiteiden" luomiseen. Nämä ovat hypoteettisia materiaaleja, jotka osoittaisivat toistuvia kuvioita ajassa ja tilassa samanaikaisesti.

Tutkimusta kuvataan Tiede ennakot.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Osta ja myy osakkeita PRE-IPO-yhtiöissä PREIPO®:lla. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/