광자 시간 결정은 마이크로파를 증폭합니다 – Physics World

실험실에서 광자 시간 결정을 생성하는 데 있어 주요 장벽은 핀란드, 독일 및 미국의 연구팀에 의해 극복되었습니다. 세르게이 트레티야코프 알토 대학교(Aalto University)와 동료들은 이러한 이국적인 재료의 시변 특성이 2D보다 3D에서 훨씬 더 쉽게 실현될 수 있는 방법을 보여주었습니다.

노벨상 수상자가 처음 제안한 프랭크 윌첵 2012년, 타임 크리스탈은 독특하고 다양한 인공 재료군입니다. 그들에 대한 자세한 내용과 물리학에 대한 광범위한 의미는 다음에서 읽을 수 있습니다. 이 물리 세계 기사 필립 볼(Philip Ball)에 의해 – 간단히 말해서 시간에 따라 주기적으로 변하는 속성을 가지고 있습니다. 이것은 공간에서 주기적으로 특성이 변하는 기존의 결정과는 다릅니다.

광자 시간 결정(PhTC)에서 다양한 특성은 재료가 입사 전자기파와 상호 작용하는 방식과 관련이 있습니다. "이러한 물질의 고유한 특성은 광자 시간 결정 내에서 파동 에너지의 비보존으로 인해 들어오는 파동을 증폭하는 능력입니다."라고 Tretyakov는 설명합니다.

모멘텀 밴드갭

이 속성은 PhTC의 "운동량 밴드갭"의 결과로, 특정 운동량 범위 내의 광자는 전파가 금지됩니다. PhTC의 고유한 특성으로 인해 이러한 밴드갭 내 전자기파의 진폭은 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 대조적으로, 규칙적인 공간 광자 결정 PhTC에서 형성되는 유사한 주파수 밴드갭은 시간이 지남에 따라 파동을 약화시킵니다.

PhTC는 이제 이론 연구의 인기 있는 과목입니다. 지금까지 계산에 따르면 이러한 시간 수정은 고유한 속성 집합을 가지고 있습니다. 여기에는 이국적인 위상 구조와 자유 전자 및 원자에서 복사를 증폭하는 능력이 포함됩니다.

그러나 실제 실험에서는 볼륨 전체에서 3D PhTC의 광자 특성을 변조하는 것이 매우 어려운 것으로 입증되었습니다. 문제 중에는 물질을 통해 전파되는 전자파에 기생 간섭을 일으키는 지나치게 복잡한 펌핑 네트워크 생성이 포함됩니다.

축소된 차원

그들의 연구에서 Tretyakov의 팀은 이 문제에 대한 간단한 해결책을 발견했습니다. "3D 구조에 비해 2D 구조를 구성하는 것이 훨씬 쉽기 때문에 광자 시간 결정의 차원을 2D에서 3D로 줄였습니다."라고 그는 설명합니다.

이 팀의 접근 방식 성공의 핵심은 서브 파장 크기 구조의 2D 배열로 만들어진 재료인 메타 표면의 고유한 물리학에 있습니다. 이러한 구조는 들어오는 전자기파의 특성을 매우 구체적이고 유용한 방식으로 조작하기 위해 크기, 모양 및 배열을 조정할 수 있습니다.

새로운 마이크로웨이브 메타표면 디자인을 제작한 후 팀은 모멘텀 밴드갭이 마이크로웨이브를 기하급수적으로 증폭했음을 보여주었습니다.

이 실험은 시간에 따라 변하는 메타표면이 3D PhTC의 주요 물리적 특성을 보존할 수 있으며 한 가지 주요 추가 이점이 있음을 분명히 보여주었습니다. "우리의 2D 버전의 광자 시간 결정은 자유 공간 파동과 표면파 모두에 대한 증폭을 제공할 수 있지만 3D 버전은 표면파를 증폭할 수 없습니다."라고 Tretyakov는 설명합니다.

기술 응용

3D 시간 결정에 비해 많은 이점을 통해 연구원들은 설계에 대한 잠재적인 기술 응용 프로그램의 광범위한 광선을 예상합니다.

Tretyakov는 "미래에 우리의 2D 광자 시간 결정은 곧 출시될 6G 대역과 같은 마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서 재구성 가능한 지능형 표면에 통합될 수 있습니다."라고 말했습니다. "이것은 무선 통신 효율성을 향상시킬 수 있습니다."

그들의 메타물질은 극초단파를 조작하기 위해 특별히 설계되었지만, 연구원들은 메타표면에 대한 추가 조정이 가시광선에 대한 사용을 확장할 수 있기를 희망합니다. 이것은 새로운 고급 광학 재료의 개발을 위한 길을 열 것입니다.

미래를 더 내다보면 Tretyakov와 동료들은 2D PhTC가 훨씬 더 난해한 "시공간 결정"을 만들기 위한 편리한 플랫폼을 제공할 수 있다고 제안합니다. 이들은 시간과 공간에서 동시에 반복되는 패턴을 나타내는 가상의 재료입니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학의 발전.

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