A fotonikus időkristály felerősíti a mikrohullámokat – Fizika világa

Finnországban, Németországban és az Egyesült Államokban egy kutatócsoport leküzdötte a fotonikus időkristályok laboratóriumi létrehozásának egyik fő akadályát. Szergej Tretyakov Az Aalto Egyetemen és munkatársai megmutatták, hogy ezeknek az egzotikus anyagoknak az időben változó tulajdonságait sokkal könnyebben lehet megvalósítani 2D-ben, mint 3D-ben.

Először a Nobel-díjas javasolta Frank Wilczek 2012-ben az időkristályok a mesterséges anyagok egyedülálló és változatos családját alkotják. Bővebben róluk és a fizikára gyakorolt ​​szélesebb körű vonatkozásaikról itt olvashat ezt Fizika Világa cikkben Philip Ball – de dióhéjban, olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek időben periodikusan változnak. Ez eltér a hagyományos kristályoktól, amelyek tulajdonságaik térben periodikusan változnak.

A fotonikus időkristályokban (PhTC-k) a változó tulajdonságok azzal kapcsolatosak, hogy az anyagok hogyan lépnek kölcsönhatásba a beeső elektromágneses hullámokkal. "Ezeknek az anyagoknak az egyedülálló tulajdonsága, hogy képesek felerősíteni a bejövő hullámokat, mivel a fotonikus időkristályokon belül nem maradnak meg a hullámenergia" - magyarázza Tretyakov.

Momentum bandgaps

Ez a tulajdonság a PhTC-k „nyomaték sávszélességeinek” eredménye, amelyekben a fotonok meghatározott momentumtartományon belüli terjedése tilos. A PhTC-k egyedi tulajdonságainak köszönhetően az elektromágneses hullámok amplitúdója ezeken a sávokon belül idővel exponenciálisan nő. Ezzel szemben a szabályos, térbeli PhTC-k fotonikus kristályokban kialakuló analóg frekvenciasávok idővel a hullámok gyengülését okozzák.

A PhTC-k ma az elméleti tanulmányok népszerű tárgya. Eddig a számítások azt sugallják, hogy ezek az időkristályok egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek. Ide tartoznak az egzotikus topológiai struktúrák, valamint a szabad elektronok és atomok sugárzásának felerősítésének képessége.

Valós kísérletekben azonban nagyon nehéznek bizonyult a 3D PhTC-k fotonikus tulajdonságainak modulálása teljes térfogatukban. A kihívások közé tartozik a túl bonyolult szivattyúhálózatok létrehozása, amelyek maguk is parazita interferenciát okoznak az anyagon keresztül terjedő elektromágneses hullámokkal.

Csökkentett dimenzió

Tanulmányukban Tretyakov csapata egy egyszerű megoldást fedezett fel erre a problémára. „A fotonikus időkristályok dimenzióját 3D-ről 2D-re csökkentettük, mert sokkal könnyebb 2D-s struktúrákat építeni, mint 3D-s struktúrákat” – magyarázza.

A csapat megközelítésének sikerének kulcsa a metafelületek egyedi fizikájában rejlik, amelyek a hullámhossz alatti méretű struktúrák 2D-tömbjéből készült anyagok. Ezek a struktúrák méretre, alakra és elrendezésre szabhatók annak érdekében, hogy a bejövő elektromágneses hullámok tulajdonságait rendkívül specifikus és hasznos módon manipulálják.

Miután elkészítették az új mikrohullámú metafelület-kialakítást, a csapat kimutatta, hogy a lendületi sávszélesség exponenciálisan felerősíti a mikrohullámokat.

Ezek a kísérletek egyértelműen bebizonyították, hogy az időben változó metafelületek megőrizhetik a 3D PhTC-k kulcsfontosságú fizikai tulajdonságait, aminek egy további kulcsfontosságú előnye is van. „A mi fotonikus időkristályaink 2D-s változata képes erősítést biztosítani mind a szabadtér-, mind a felszíni hullámoknak, míg 3D-s társaik nem tudják felerősíteni a felszíni hullámokat” – magyarázza Tretyakov.

Technológiai alkalmazások

A 3D időkristályokkal szembeni előnyükkel a kutatók a lehetséges technológiai alkalmazások széles skáláját képzelik el tervezésükhöz.

„A jövőben a 2D fotonikus időkristályaink integrálhatók újrakonfigurálható intelligens felületekbe mikrohullámú és milliméteres hullámok frekvenciáján, például a közelgő 6G sávban” – mondja Tretyakov. "Ez javíthatja a vezeték nélküli kommunikáció hatékonyságát."

Míg a metaanyagukat kifejezetten a mikrohullámok manipulálására tervezték, a kutatók azt remélik, hogy a metafelületük további módosításai kiterjeszthetik a látható fényre is. Ez megnyitná az utat új, fejlett optikai anyagok kifejlesztése előtt.

A jövőbe tekintve Tretyakov és munkatársai azt sugallják, hogy a 2D PhTC-k kényelmes platformot jelenthetnek a még ezoterikusabb „tér-idő kristályok” létrehozásához. Ezek hipotetikus anyagok, amelyek egyszerre mutatnak ismétlődő mintákat időben és térben.

A kutatás leírása a Tudomány előlegek.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoAiStream. Web3 adatintelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Részvények vásárlása és eladása PRE-IPO társaságokban a PREIPO® segítségével. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/