Fotonisk tidskrystall forsterker mikrobølger – Physics World

En stor barriere for å lage fotoniske tidskrystaller i laboratoriet har blitt overvunnet av et team av forskere i Finland, Tyskland og USA. Sergei Tretyakov ved Aalto-universitetet og kolleger har vist hvordan de tidsvarierende egenskapene til disse eksotiske materialene kan realiseres langt lettere i 2D enn i 3D.

Først foreslått av nobelprisvinneren Frank Wilczek i 2012 er tidskrystaller en unik og mangfoldig familie av kunstige materialer. Du kan lese mer om dem og deres bredere implikasjoner for fysikk i denne Fysikkens verden Artikkel av Philip Ball – men i et nøtteskall besitter de egenskaper som varierer periodisk i tid. Dette er i motsetning til konvensjonelle krystaller, som har egenskaper som varierer periodisk i rommet.

I fotoniske tidskrystaller (PhTC) er de varierende egenskapene knyttet til hvordan materialene samhandler med innfallende elektromagnetiske bølger. "Den unike egenskapen til disse materialene er deres evne til å forsterke innkommende bølger på grunn av ikke-bevaring av bølgeenergi i de fotoniske tidskrystallene," forklarer Tretyakov.

Momentum båndgap

Denne egenskapen er et resultat av "momentum-båndgap" i PhTC-er, der fotoner innenfor bestemte momentaområder er forbudt å forplante seg. På grunn av deres unike egenskaper til PhTC, vokser amplitudene til elektromagnetiske bølger innenfor disse båndgapene eksponentielt over tid. I motsetning til dette fører de analoge frekvensbåndgapene som dannes i vanlige, romlige fotoniske krystaller PhTC-er, bølger til å dempe over tid.

PhTC-er er nå et populært emne for teoretiske studier. Så langt tyder beregninger på at disse tidskrystallene har et unikt sett med egenskaper. Disse inkluderer eksotiske topologiske strukturer, og en evne til å forsterke stråling fra frie elektroner og atomer.

I virkelige eksperimenter har det imidlertid vist seg å være svært vanskelig å modulere de fotoniske egenskapene til 3D PhTC-er gjennom hele volumet. Blant utfordringene inkluderer etableringen av altfor komplekse pumpenettverk – som i seg selv skaper parasittiske interferenser med elektromagnetiske bølger som forplanter seg gjennom materialet.

Redusert dimensjonalitet

I studien deres oppdaget Tretyakovs team en enkel løsning på dette problemet. "Vi har redusert dimensjonaliteten til fotoniske tidskrystaller fra 3D til 2D, fordi det er mye lettere å konstruere 2D-strukturer sammenlignet med 3D-strukturer," forklarer han.

Nøkkelen til suksessen til teamets tilnærming ligger innenfor den unike fysikken til metasurfaces, som er materialer laget av 2D-arrayer av strukturer i sub-bølgelengdestørrelse. Disse strukturene kan skreddersys i størrelse, form og arrangement for å manipulere egenskapene til innkommende elektromagnetiske bølger på svært spesifikke og nyttige måter.

Etter å ha laget deres nye mikrobølge-metasurface-design, viste teamet at momentum-båndgapet forsterket mikrobølgene eksponentielt.

Disse eksperimentene viste tydelig at tidsvarierende metaoverflater kan bevare de viktigste fysiske egenskapene til 3D PhTC-er, med en viktig ekstra fordel. "Vår 2D-versjon av fotoniske tidskrystaller kan gi forsterkning for både friromsbølger og overflatebølger, mens deres 3D-motstykker ikke kan forsterke overflatebølger," forklarer Tretyakov.

Teknologiske applikasjoner

Med sine mange fordeler i forhold til 3D-tidskrystaller, ser forskerne for seg en lang rekke potensielle teknologiske anvendelser for deres design.

"I fremtiden kan våre 2D-fotoniske tidskrystaller integreres i rekonfigurerbare intelligente overflater ved mikrobølge- og millimeterbølgefrekvenser, slik som de i det kommende 6G-båndet," sier Tretyakov. "Dette kan forbedre effektiviteten av trådløs kommunikasjon."

Mens metamaterialet deres er designet spesielt for å manipulere mikrobølger, håper forskerne at ytterligere justeringer av metaoverflaten deres kan utvide bruken til synlig lys. Dette vil bane vei for utvikling av nye avanserte optiske materialer.

Ser vi lenger inn i fremtiden, foreslår Tretyakov og kolleger at 2D PhTC-er kan gi en praktisk plattform for å lage de enda mer esoteriske "rom-tidskrystallene". Dette er hypotetiske materialer som vil vise gjentatte mønstre i tid og rom samtidig.

Forskningen er beskrevet i Vitenskap Fremskritt.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/