Kristal waktu fotonik memperkuat gelombang mikro – Dunia Fisika

Kristal waktu fotonik memperkuat gelombang mikro – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 13 Mei 2023 10

Kristal waktu fotonik
Metamaterial yang bervariasi waktu: ilustrasi tentang bagaimana kristal waktu fotonik 2D dapat memperkuat gelombang cahaya. (Sumber: Xuchen Wang/Universitas Aalto)

Penghalang utama untuk membuat kristal waktu fotonik di lab telah diatasi oleh tim peneliti di Finlandia, Jerman, dan AS. Sergey Tretyakov di Universitas Aalto dan rekannya telah menunjukkan bagaimana sifat variasi waktu dari bahan eksotis ini dapat direalisasikan jauh lebih mudah dalam 2D ​​daripada dalam 3D.

Pertama kali diusulkan oleh peraih Nobel Frank Wilczek pada tahun 2012, kristal waktu adalah keluarga bahan buatan yang unik dan beragam. Anda dapat membaca lebih lanjut tentang mereka dan implikasinya yang lebih luas untuk fisika di ini Dunia Fisika artikel oleh Philip Ball – tetapi singkatnya, mereka memiliki sifat yang bervariasi secara berkala dalam waktu. Ini tidak seperti kristal konvensional, yang memiliki sifat yang bervariasi secara berkala di ruang angkasa.

Dalam kristal waktu fotonik (PhTC), berbagai sifat terkait dengan bagaimana bahan berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik yang datang. “Karakteristik unik dari bahan-bahan ini adalah kemampuannya untuk memperkuat gelombang yang datang karena energi gelombang tidak terkonservasi dalam kristal waktu fotonik,” jelas Tretyakov.

Celah pita momentum

Properti ini adalah hasil dari "momentum bandgaps" di PhTC, di mana foton dalam rentang momentum tertentu dilarang merambat. Karena sifat unik PhTC mereka, amplitudo gelombang elektromagnetik dalam celah pita ini tumbuh secara eksponensial dari waktu ke waktu. Sebaliknya, celah pita frekuensi analog yang terbentuk dalam PhTC kristal fotonik spasial reguler, menyebabkan gelombang melemah dari waktu ke waktu.

PhTC sekarang menjadi subjek studi teoritis yang populer. Sejauh ini, perhitungan menunjukkan bahwa kristal waktu ini memiliki seperangkat sifat yang unik. Ini termasuk struktur topologi yang eksotis, dan kemampuan untuk memperkuat radiasi dari elektron dan atom bebas.

Namun, dalam percobaan nyata, terbukti sangat sulit untuk memodulasi sifat fotonik PhTC 3D di seluruh volumenya. Di antara tantangannya termasuk pembuatan jaringan pemompaan yang terlalu rumit – yang dengan sendirinya menciptakan interferensi parasit dengan gelombang elektromagnetik yang menyebar melalui material.

Pengurangan dimensi

Dalam studi mereka, tim Tretyakov menemukan solusi sederhana untuk masalah ini. “Kami telah mengurangi dimensi kristal waktu fotonik dari 3D ke 2D, karena lebih mudah membangun struktur 2D dibandingkan dengan struktur 3D,” jelasnya.

Kunci keberhasilan pendekatan tim terletak pada fisika unik dari metasurfaces, yang merupakan bahan yang terbuat dari susunan 2D dari struktur berukuran sub-panjang gelombang. Struktur ini dapat disesuaikan dalam ukuran, bentuk, dan pengaturan untuk memanipulasi sifat gelombang elektromagnetik yang masuk dengan cara yang sangat spesifik dan berguna.

Setelah membuat desain metasurface gelombang mikro baru mereka, tim menunjukkan bahwa celah pita momentumnya memperkuat gelombang mikro secara eksponensial.

Eksperimen ini dengan jelas menunjukkan bahwa metasurface yang bervariasi waktu dapat mempertahankan sifat fisik utama PhTC 3D, dengan satu manfaat tambahan utama. “Kristal waktu fotonik versi 2D kami dapat memberikan amplifikasi untuk gelombang ruang bebas dan gelombang permukaan, sementara rekan 3D mereka tidak dapat memperkuat gelombang permukaan,” jelas Tretyakov.

Aplikasi teknologi

Dengan sejumlah keunggulan mereka dibandingkan kristal waktu 3D, para peneliti membayangkan sinar luas aplikasi teknologi potensial untuk desain mereka.

“Di masa depan, kristal waktu fotonik 2D kami dapat diintegrasikan ke dalam permukaan cerdas yang dapat dikonfigurasi ulang pada frekuensi gelombang mikro dan milimeter, seperti yang ada di pita 6G yang akan datang,” kata Tretyakov. “Ini dapat meningkatkan efisiensi komunikasi nirkabel.”

Sementara metamaterial mereka dirancang khusus untuk memanipulasi gelombang mikro, para peneliti berharap penyesuaian lebih lanjut pada metasurface mereka dapat memperluas penggunaannya ke cahaya tampak. Ini akan membuka jalan bagi pengembangan bahan optik canggih baru.

Melihat lebih jauh ke masa depan, Tretyakov dan rekan menyarankan bahwa PhTC 2D dapat menyediakan platform yang nyaman untuk menciptakan "kristal ruang-waktu" yang lebih esoterik. Ini adalah bahan hipotetis yang akan menunjukkan pola berulang dalam ruang dan waktu secara bersamaan.

Penelitian tersebut dijelaskan dalam Kemajuan ilmu pengetahuan.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika