גביש זמן פוטוני מגביר גלי מיקרו - עולם הפיזיקה

מחסום גדול ליצירת גבישי זמן פוטוניים במעבדה התגבר על ידי צוות חוקרים בפינלנד, גרמניה וארה"ב. סרגיי טרטיאקוב באוניברסיטת Aalto ועמיתיו הראו כיצד ניתן לממש את המאפיינים המשתנים בזמן של חומרים אקזוטיים אלה הרבה יותר בקלות ב-2D מאשר ב-3D.

הוצע לראשונה על ידי חתן פרס נובל פרנק וילצ'ק בשנת 2012, גבישי זמן הם משפחה ייחודית ומגוונת של חומרים מלאכותיים. אתה יכול לקרוא עוד עליהם ועל ההשלכות הרחבות יותר שלהם על הפיזיקה ב זֶה עולם הפיזיקה מאמר מאת פיליפ בול - אבל בקצרה, יש להם תכונות המשתנות מעת לעת בזמן. זה בניגוד לקריסטלים רגילים, שיש להם תכונות המשתנות מעת לעת בחלל.

בגבישי זמן פוטוניים (PhTCs), המאפיינים המשתנים קשורים לאופן שבו החומרים מקיימים אינטראקציה עם גלים אלקטרומגנטיים תקפים. "המאפיין הייחודי של חומרים אלה הוא יכולתם להגביר את הגלים הנכנסים עקב אי-שימור אנרגיית הגל בתוך גבישי הזמן הפוטוניים", מסביר טרטיאקוב.

פערי מומנטום

תכונה זו היא תוצאה של "פערי פס מומנטום" ב- PhTCs, שבהם אסור להפיץ פוטונים בטווחים ספציפיים של מומנטים. בשל המאפיינים הייחודיים שלהם של PhTCs, המשרעות של גלים אלקטרומגנטיים בתוך פערי פס אלה גדלים באופן אקספוננציאלי עם הזמן. לעומת זאת, פערי הפס התדרים האנלוגיים שנוצרים ב-PHTC של גבישים פוטוניים מרחביים רגילים, גורמים להחלשת גלים עם הזמן.

PhTCs הם כעת נושא פופולרי של מחקר תיאורטי. עד כה, חישובים מצביעים על כך שלגבישי זמן אלה יש סט ייחודי של תכונות. אלה כוללים מבנים טופולוגיים אקזוטיים, ויכולת להגביר קרינה מאלקטרונים ואטומים חופשיים.

בניסויים אמיתיים, לעומת זאת, הוכח מאוד שקשה לווסת את התכונות הפוטוניות של PhTCs תלת-ממדיים לאורך נפחם. בין האתגרים ניתן למנות יצירת רשתות שאיבה מורכבות מדי - שבעצמן יוצרות הפרעות טפיליות עם גלים אלקטרומגנטיים המתפשטים דרך החומר.

מימדיות מופחתת

במחקר שלהם, הצוות של טרטיאקוב גילה פתרון פשוט לבעיה זו. "הפחתנו את הממדיות של גבישי זמן פוטוניים מתלת-ממד לדו-מימד, כי הרבה יותר קל לבנות מבנים דו-ממדיים בהשוואה למבנים תלת-ממדיים", הוא מסביר.

המפתח להצלחת הגישה של הצוות טמון בפיזיקה הייחודית של משטחי מטא, שהם חומרים העשויים ממערכים דו-ממדיים של מבנים בגודל תת-אורך גל. ניתן להתאים מבנים אלה בגודל, צורה וסידור על מנת לתפעל את המאפיינים של גלים אלקטרומגנטיים נכנסים בדרכים ספציפיות ושימושיות ביותר.

לאחר שיצר את העיצוב החדש של משטח המיקרוגל, הצוות הראה שהפער המומנטום שלו הגביר את המיקרוגלים באופן אקספוננציאלי.

ניסויים אלה הוכיחו בבירור כי מטא-משטחים משתנים בזמן יכולים לשמר את המאפיינים הפיזיקליים העיקריים של PhTCs תלת-ממדיים, עם יתרון אחד נוסף. "הגרסה הדו-ממדית שלנו של גבישי זמן פוטוניים יכולה לספק הגברה הן לגלי שטח פנוי והן לגלים על פני השטח, בעוד שעמיתיהם התלת-ממדיים אינם יכולים להגביר את גלי השטח", מסביר טרטיאקוב.

יישומים טכנולוגיים

עם שלל היתרונות שלהם על גבי גבישי זמן תלת-ממדיים, החוקרים צופים בשורה רחבה של יישומים טכנולוגיים פוטנציאליים עבור העיצוב שלהם.

"בעתיד, גבישי הזמן הפוטוניים הדו-ממדיים שלנו יוכלו להשתלב במשטחים אינטליגנטיים הניתנים להגדרה מחדש בתדרי גלים מיקרוגלים ומילימטריים, כמו אלה שברצועת ה-2G הקרובה", אומר טרטיאקוב. "זה יכול לשפר את יעילות התקשורת האלחוטית."

בעוד המטא-חומר שלהם תוכנן במיוחד עבור מניפולציה של גלי מיקרוגל, החוקרים מקווים שהתאמות נוספות למטא-משטח שלהם יוכלו להרחיב את השימוש בו לאור הנראה. זה יסלול את הדרך לפיתוח חומרים אופטיים מתקדמים חדשים.

במבט רחוק יותר אל העתיד, טרטיאקוב ועמיתיו מציעים ש-2D PhTCs יכולים לספק פלטפורמה נוחה ליצירת "גבישי חלל-זמן" האזוטריים עוד יותר. אלו הם חומרים היפותטיים שיציגו תבניות חוזרות בזמן ובמרחב בו זמנית.

המחקר מתואר ב התקדמות מדע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• קנה ומכירה של מניות בחברות PRE-IPO עם PREIPO®. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/