Fotoniczny kryształ czasu wzmacnia mikrofale – Physics World

Zespół naukowców z Finlandii, Niemiec i USA pokonał główną przeszkodę w tworzeniu fotonicznych kryształów czasu w laboratorium. Siergiej Tretiakow z Aalto University i współpracownicy pokazali, w jaki sposób zmieniające się w czasie właściwości tych egzotycznych materiałów można znacznie łatwiej zrealizować w 2D niż w 3D.

Po raz pierwszy zaproponowany przez laureata Nagrody Nobla Franka Wilczka w 2012 roku kryształy czasu to wyjątkowa i różnorodna rodzina sztucznych materiałów. Możesz przeczytać więcej o nich i ich szerszych implikacjach dla fizyki w to Świat Fizyki artykuł autorstwa Philipa Balla – ale w skrócie mają właściwości zmieniające się okresowo w czasie. Różni się to od konwencjonalnych kryształów, których właściwości zmieniają się okresowo w przestrzeni.

W fotonicznych kryształach czasu (PhTC) zmienne właściwości są związane z interakcją materiałów z padającymi falami elektromagnetycznymi. „Wyjątkową cechą tych materiałów jest ich zdolność do wzmacniania nadchodzących fal ze względu na brak zachowania energii falowej w fotonicznych kryształach czasu” – wyjaśnia Trietiakow.

Pasma wzbronione pędu

Właściwość ta wynika z „przerw wzbronionych pędu” w PhTC, w których fotony w określonych zakresach pędów nie mogą się propagować. Dzięki unikalnym właściwościom PhTC amplitudy fal elektromagnetycznych w tych pasmach wzbronionych rosną wykładniczo w czasie. W przeciwieństwie do tego, analogiczne pasma wzbronione częstotliwości, które tworzą się w regularnych, przestrzennych kryształach fotonicznych PhTC, powodują tłumienie fal w czasie.

PhTC są obecnie popularnym przedmiotem badań teoretycznych. Jak dotąd obliczenia sugerują, że te kryształy czasu posiadają unikalny zestaw właściwości. Należą do nich egzotyczne struktury topologiczne oraz zdolność do wzmacniania promieniowania z wolnych elektronów i atomów.

W rzeczywistych eksperymentach okazało się jednak, że bardzo trudno jest modulować właściwości fotoniczne trójwymiarowych PhTC w całej ich objętości. Do wyzwań należy stworzenie zbyt skomplikowanych sieci pompujących, które same w sobie tworzą pasożytnicze interferencje z falami elektromagnetycznymi rozchodzącymi się w materiale.

Zmniejszona wymiarowość

W swoich badaniach zespół Trietiakova odkrył proste rozwiązanie tego problemu. „Zredukowaliśmy wymiarowość fotonicznych kryształów czasu z 3D do 2D, ponieważ znacznie łatwiej jest konstruować struktury 2D niż struktury 3D” – wyjaśnia.

Klucz do sukcesu podejścia zespołu leży w unikalnej fizyce metapowierzchni, które są materiałami wykonanymi z dwuwymiarowych układów struktur o rozmiarach poniżej długości fali. Struktury te można dostosowywać pod względem wielkości, kształtu i rozmieszczenia w celu manipulowania właściwościami nadchodzących fal elektromagnetycznych w wysoce specyficzny i użyteczny sposób.

Po wyprodukowaniu nowego projektu metapowierzchni mikrofalowej zespół wykazał, że pasmo wzbronione pędu wykładniczo wzmacnia mikrofale.

Eksperymenty te wyraźnie pokazały, że zmieniające się w czasie metapowierzchnie mogą zachować kluczowe właściwości fizyczne PhTC 3D, z jedną kluczową dodatkową korzyścią. „Nasza wersja 2D fotonicznych kryształów czasu może zapewnić wzmocnienie zarówno fal w wolnej przestrzeni, jak i fal powierzchniowych, podczas gdy ich odpowiedniki 3D nie mogą wzmacniać fal powierzchniowych” – wyjaśnia Tretiakow.

Zastosowania technologiczne

Dzięki ich wielu zaletom w porównaniu z trójwymiarowymi kryształami czasowymi, naukowcy przewidują szeroki wachlarz potencjalnych zastosowań technologicznych dla ich projektu.

„W przyszłości nasze fotoniczne kryształy czasu 2D mogłyby zostać zintegrowane z rekonfigurowalnymi inteligentnymi powierzchniami o częstotliwościach mikrofalowych i fal milimetrowych, takich jak te w nadchodzącym paśmie 6G”, mówi Tretiakow. „Może to zwiększyć wydajność komunikacji bezprzewodowej”.

Chociaż ich metamateriał został zaprojektowany specjalnie do manipulowania mikrofalami, naukowcy mają nadzieję, że dalsze dostosowania ich metapowierzchni mogą rozszerzyć jego zastosowanie na światło widzialne. Utorowałoby to drogę do rozwoju nowych zaawansowanych materiałów optycznych.

Patrząc dalej w przyszłość, Tretiakow i współpracownicy sugerują, że PhTC 2D mogą stanowić wygodną platformę do tworzenia jeszcze bardziej ezoterycznych „kryształów czasoprzestrzennych”. Są to hipotetyczne materiały, które jednocześnie wykazywałyby powtarzające się wzory w czasie i przestrzeni.

Badania opisano w Postępy nauki.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Kupuj i sprzedawaj akcje spółek PRE-IPO z PREIPO®. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/