Le cristal temporel photonique amplifie les micro-ondes – Physics World

Un obstacle majeur à la création de cristaux temporels photoniques en laboratoire a été surmonté par une équipe de chercheurs en Finlande, en Allemagne et aux États-Unis. Sergueï Tretiakov à l'Université Aalto et ses collègues ont montré comment les propriétés variables dans le temps de ces matériaux exotiques peuvent être réalisées beaucoup plus facilement en 2D qu'en 3D.

Proposé pour la première fois par le lauréat du prix Nobel Franck Wilczek en 2012, les cristaux de temps sont une famille unique et diversifiée de matériaux artificiels. Vous pouvez en savoir plus sur eux et leurs implications plus larges pour la physique dans this Monde de la physique article par Philip Ball - mais en un mot, ils possèdent des propriétés qui varient périodiquement dans le temps. Ceci est différent des cristaux conventionnels, qui ont des propriétés qui varient périodiquement dans l'espace.

Dans les cristaux temporels photoniques (PhTC), les propriétés variables sont liées à la façon dont les matériaux interagissent avec les ondes électromagnétiques incidentes. "La caractéristique unique de ces matériaux est leur capacité à amplifier les ondes entrantes en raison de la non-conservation de l'énergie des ondes dans les cristaux de temps photonique", explique Tretiakov.

Bandes interdites de momentum

Cette propriété est le résultat de "bandes interdites d'impulsion" dans les PhTC, dans lesquelles les photons dans des plages spécifiques d'impulsions sont interdits de se propager. En raison de leurs propriétés uniques des PhTC, les amplitudes des ondes électromagnétiques dans ces bandes interdites augmentent de façon exponentielle au fil du temps. En revanche, les bandes interdites de fréquence analogues qui se forment dans les PhTC à cristaux photoniques spatiaux réguliers provoquent une atténuation des ondes au fil du temps.

Les PhTC sont maintenant un sujet populaire d'étude théorique. Jusqu'à présent, les calculs suggèrent que ces cristaux de temps possèdent un ensemble unique de propriétés. Celles-ci incluent des structures topologiques exotiques et une capacité à amplifier le rayonnement des électrons et des atomes libres.

Dans des expériences réelles, cependant, il s'est avéré très difficile de moduler les propriétés photoniques des PhTC 3D dans tout leur volume. Parmi les enjeux figure la création de réseaux de pompage trop complexes – qui eux-mêmes créent des interférences parasites avec les ondes électromagnétiques se propageant à travers le matériau.

Dimensionnalité réduite

Dans leur étude, l'équipe de Tretiakov a découvert une solution simple à ce problème. "Nous avons réduit la dimensionnalité des cristaux temporels photoniques de la 3D à la 2D, car il est beaucoup plus facile de construire des structures 2D par rapport aux structures 3D", explique-t-il.

La clé du succès de l'approche de l'équipe réside dans la physique unique des métasurfaces, qui sont des matériaux fabriqués à partir de réseaux 2D de structures de taille inférieure à la longueur d'onde. Ces structures peuvent être adaptées en taille, en forme et en disposition afin de manipuler les propriétés des ondes électromagnétiques entrantes de manière très spécifique et utile.

Après avoir fabriqué leur nouvelle conception de métasurface micro-ondes, l'équipe a montré que sa bande interdite d'impulsion amplifiait les micro-ondes de manière exponentielle.

Ces expériences ont clairement démontré que les métasurfaces variables dans le temps peuvent préserver les propriétés physiques clés des PhTC 3D, avec un avantage supplémentaire clé. "Notre version 2D des cristaux de temps photoniques peut fournir une amplification à la fois pour les ondes d'espace libre et les ondes de surface, tandis que leurs homologues 3D ne peuvent pas amplifier les ondes de surface", explique Tretyakov.

Applications technologiques

Avec leur multitude d'avantages par rapport aux cristaux temporels 3D, les chercheurs envisagent un large éventail d'applications technologiques potentielles pour leur conception.

« À l'avenir, nos cristaux temporels photoniques 2D pourraient être intégrés dans des surfaces intelligentes reconfigurables aux fréquences des micro-ondes et des ondes millimétriques, comme celles de la prochaine bande 6G », déclare Tretyakov. "Cela pourrait améliorer l'efficacité des communications sans fil."

Alors que leur métamatériau est conçu spécifiquement pour manipuler les micro-ondes, les chercheurs espèrent que d'autres ajustements de leur métasurface pourraient étendre son utilisation à la lumière visible. Cela ouvrirait la voie au développement de nouveaux matériaux optiques avancés.

En regardant plus loin dans le futur, Tretyakov et ses collègues suggèrent que les PhTC 2D pourraient fournir une plate-forme pratique pour créer des «cristaux espace-temps» encore plus ésotériques. Ce sont des matériaux hypothétiques qui présenteraient simultanément des motifs répétitifs dans le temps et dans l'espace.

La recherche est décrite dans Science Advances.

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