Il cristallo temporale fotonico amplifica le microonde – Physics World

Un importante ostacolo alla creazione di cristalli temporali fotonici in laboratorio è stato superato da un team di ricercatori in Finlandia, Germania e Stati Uniti. Sergej Tretyakov della Aalto University e colleghi hanno mostrato come le proprietà variabili nel tempo di questi materiali esotici possono essere realizzate molto più facilmente in 2D che in 3D.

Proposto per la prima volta dal premio Nobel Frank Wilczek nel 2012, i cristalli temporali sono una famiglia unica e diversificata di materiali artificiali. Puoi leggere di più su di loro e sulle loro più ampie implicazioni per la fisica in questo Mondo della fisica articolo di Philip Ball – ma in poche parole possiedono proprietà che variano periodicamente nel tempo. Questo è diverso dai cristalli convenzionali, che hanno proprietà che variano periodicamente nello spazio.

Nei cristalli temporali fotonici (PhTC), le diverse proprietà sono correlate al modo in cui i materiali interagiscono con le onde elettromagnetiche incidenti. "La caratteristica unica di questi materiali è la loro capacità di amplificare le onde in arrivo a causa della non conservazione dell'energia delle onde all'interno dei cristalli temporali fotonici", spiega Tretyakov.

Bandgap di slancio

Questa proprietà è il risultato di "momentum bandgaps" nei PhTC, in cui ai fotoni all'interno di specifici intervalli di quantità di moto è vietata la propagazione. A causa delle loro proprietà uniche dei PhTC, le ampiezze delle onde elettromagnetiche all'interno di questi bandgap crescono in modo esponenziale nel tempo. Al contrario, gli analoghi bandgap di frequenza che si formano nei normali cristalli fotonici spaziali PhTC, causano l'attenuazione delle onde nel tempo.

I dottorati di ricerca sono ora un argomento popolare di studio teorico. Finora, i calcoli suggeriscono che questi cristalli temporali possiedono un insieme unico di proprietà. Questi includono strutture topologiche esotiche e la capacità di amplificare la radiazione da elettroni e atomi liberi.

Negli esperimenti reali, tuttavia, si è rivelato molto difficile modulare le proprietà fotoniche dei PhTC 3D in tutto il loro volume. Tra le sfide vi è la creazione di reti di pompaggio eccessivamente complesse, che a loro volta creano interferenze parassitarie con le onde elettromagnetiche che si propagano attraverso il materiale.

Dimensionalità ridotta

Nel loro studio, il team di Tretyakov ha scoperto una semplice soluzione a questo problema. "Abbiamo ridotto la dimensionalità dei cristalli temporali fotonici da 3D a 2D, perché è molto più facile costruire strutture 2D rispetto alle strutture 3D", spiega.

La chiave del successo dell'approccio del team risiede nella fisica unica delle metasuperfici, che sono materiali costituiti da matrici 2D di strutture di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda. Queste strutture possono essere personalizzate in termini di dimensioni, forma e disposizione per manipolare le proprietà delle onde elettromagnetiche in arrivo in modi altamente specifici e utili.

Dopo aver fabbricato il loro nuovo progetto di metasuperficie a microonde, il team ha dimostrato che il suo momentum bandgap amplificava le microonde in modo esponenziale.

Questi esperimenti hanno chiaramente dimostrato che le metasuperfici variabili nel tempo possono preservare le principali proprietà fisiche dei PhTC 3D, con un ulteriore vantaggio chiave. "La nostra versione 2D dei cristalli temporali fotonici può fornire amplificazione sia per le onde dello spazio libero che per le onde di superficie, mentre le loro controparti 3D non possono amplificare le onde di superficie", spiega Tretyakov.

Applicazioni tecnologiche

Con la loro serie di vantaggi rispetto ai cristalli temporali 3D, i ricercatori prevedono un ampio raggio di potenziali applicazioni tecnologiche per la loro progettazione.

"In futuro, i nostri cristalli temporali fotonici 2D potrebbero essere integrati in superfici intelligenti riconfigurabili a frequenze di microonde e onde millimetriche, come quelle della prossima banda 6G", afferma Tretyakov. "Ciò potrebbe migliorare l'efficienza della comunicazione wireless."

Mentre il loro metamateriale è progettato specificamente per manipolare le microonde, i ricercatori sperano che ulteriori aggiustamenti alla loro metasuperficie possano estenderne l'uso alla luce visibile. Ciò aprirebbe la strada allo sviluppo di nuovi materiali ottici avanzati.

Guardando più avanti nel futuro, Tretyakov e colleghi suggeriscono che i PhTC 2D potrebbero fornire una comoda piattaforma per creare gli ancora più esoterici "cristalli spazio-temporali". Si tratta di materiali ipotetici che mostrerebbero modelli ripetuti simultaneamente nel tempo e nello spazio.

La ricerca è descritta in Anticipi Scienza.

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