Fotonisch tijdkristal versterkt microgolven - Physics World

Een belangrijk obstakel voor het maken van fotonische tijdkristallen in het laboratorium is overwonnen door een team van onderzoekers in Finland, Duitsland en de VS. Sergej Tretjakov aan de Aalto University en collega's hebben laten zien hoe de tijdsafhankelijke eigenschappen van deze exotische materialen veel gemakkelijker in 2D kunnen worden gerealiseerd dan in 3D.

Voor het eerst voorgesteld door Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in 2012 zijn tijdkristallen een unieke en diverse familie van kunstmatige materialen. Je kunt meer over hen en hun bredere implicaties voor de natuurkunde lezen in dit Natuurkunde wereld dit artikel door Philip Ball - maar in een notendop, ze bezitten eigenschappen die periodiek in de tijd variëren. Dit in tegenstelling tot conventionele kristallen, die eigenschappen hebben die periodiek in de ruimte variëren.

In fotonische tijdkristallen (PhTC's) zijn de variërende eigenschappen gerelateerd aan hoe de materialen interageren met invallende elektromagnetische golven. "Het unieke kenmerk van deze materialen is hun vermogen om binnenkomende golven te versterken doordat de golfenergie in de fotonische tijdkristallen niet behouden blijft", legt Tretyakov uit.

Momentum-bandgaten

Deze eigenschap is het resultaat van "momentum bandgaps" in PhTC's, waarin het verboden is dat fotonen binnen specifieke impulsbereiken zich voortplanten. Vanwege hun unieke eigenschappen van PhTC's, groeien de amplitudes van elektromagnetische golven binnen deze bandgaps in de loop van de tijd exponentieel. De analoge frequentiebandgaps die zich vormen in reguliere, ruimtelijke fotonische kristallen PhTC's, zorgen er daarentegen voor dat golven in de loop van de tijd verzwakken.

PhTC's zijn nu een populair onderwerp van theoretische studie. Tot nu toe suggereren berekeningen dat deze tijdkristallen een unieke reeks eigenschappen bezitten. Deze omvatten exotische topologische structuren en het vermogen om straling van vrije elektronen en atomen te versterken.

In echte experimenten is het echter erg moeilijk gebleken om de fotonische eigenschappen van 3D PhTC's over hun hele volume te moduleren. Een van de uitdagingen is het creëren van te complexe pompnetwerken - die zelf parasitaire interferenties veroorzaken met elektromagnetische golven die zich door het materiaal voortplanten.

Verminderde dimensionaliteit

In hun studie ontdekte het team van Tretyakov een eenvoudige oplossing voor dit probleem. "We hebben de dimensionaliteit van fotonische tijdkristallen teruggebracht van 3D naar 2D, omdat het veel gemakkelijker is om 2D-structuren te construeren in vergelijking met 3D-structuren", legt hij uit.

De sleutel tot het succes van de aanpak van het team ligt in de unieke fysica van metasurfaces, materialen gemaakt van 2D-arrays van structuren met een subgolflengte. Deze structuren kunnen qua grootte, vorm en opstelling worden aangepast om de eigenschappen van binnenkomende elektromagnetische golven op zeer specifieke en bruikbare manieren te manipuleren.

Na het fabriceren van hun nieuwe microgolf-metasurface-ontwerp, toonde het team aan dat de momentumbandgap microgolven exponentieel versterkte.

Deze experimenten toonden duidelijk aan dat in de tijd variërende metasurfaces de belangrijkste fysieke eigenschappen van 3D PhTC's kunnen behouden, met één belangrijk bijkomend voordeel. "Onze 2D-versie van fotonische tijdkristallen kan versterking bieden voor zowel golven in de vrije ruimte als oppervlaktegolven, terwijl hun 3D-tegenhangers oppervlaktegolven niet kunnen versterken", legt Tretyakov uit.

Technologische toepassingen

Met hun vele voordelen ten opzichte van 3D-tijdkristallen, voorzien de onderzoekers een breed scala aan potentiële technologische toepassingen voor hun ontwerp.

"In de toekomst zouden onze 2D-fotonische tijdkristallen kunnen worden geïntegreerd in herconfigureerbare intelligente oppervlakken op microgolf- en millimetergolffrequenties, zoals die in de aankomende 6G-band", zegt Tretyakov. "Dit zou de efficiëntie van draadloze communicatie kunnen verbeteren."

Hoewel hun metamateriaal speciaal is ontworpen voor het manipuleren van microgolven, hopen de onderzoekers dat verdere aanpassingen aan hun meta-oppervlak het gebruik ervan kunnen uitbreiden naar zichtbaar licht. Dit zou de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe geavanceerde optische materialen.

Verder in de toekomst kijkend, suggereren Tretyakov en collega's dat 2D PhTC's een handig platform kunnen bieden voor het creëren van de nog meer esoterische "ruimte-tijdkristallen". Dit zijn hypothetische materialen die tegelijkertijd herhalende patronen in tijd en ruimte zouden vertonen.

Het onderzoek is beschreven in Wetenschap Advances.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/