Cristalul fotonic de timp amplifică microundele – Physics World

O barieră majoră în calea creării de cristale fotonice de timp în laborator a fost depășită de o echipă de cercetători din Finlanda, Germania și SUA. Serghei Tretiakov de la Universitatea Aalto și colegii săi au arătat cum proprietățile care variază în timp ale acestor materiale exotice pot fi realizate mult mai ușor în 2D decât în ​​3D.

Primul propus de laureatul Nobel frank Wilczek în 2012, cristalele de timp sunt o familie unică și diversă de materiale artificiale. Puteți citi mai multe despre ele și implicațiile lor mai largi pentru fizică în acest Lumea fizicii articol de Philip Ball – dar, pe scurt, au proprietăți care variază periodic în timp. Acest lucru este spre deosebire de cristalele convenționale, care au proprietăți care variază periodic în spațiu.

În cristalele fotonice de timp (PhTC), proprietățile variabile sunt legate de modul în care materialele interacționează cu undele electromagnetice incidente. „Caracteristica unică a acestor materiale este capacitatea lor de a amplifica undele primite datorită neconservării energiei valurilor în cristalele fotonice de timp”, explică Tretyakov.

Momentum bandgaps

Această proprietate este rezultatul „bandgaps-urilor de impuls” în PhTC, în care fotonii din intervale specifice de momente sunt interzise să se propagă. Datorită proprietăților lor unice ale PhTCs, amplitudinile undelor electromagnetice din aceste bandgaps cresc exponențial în timp. În schimb, intervalele de frecvență analoge care se formează în cristalele fotonice spațiale obișnuite PhTC-uri determină atenuarea undelor în timp.

PhTC-urile sunt acum un subiect popular de studiu teoretic. Până acum, calculele sugerează că aceste cristale de timp posedă un set unic de proprietăți. Acestea includ structuri topologice exotice și capacitatea de a amplifica radiația de la electronii și atomii liberi.

În experimente reale, totuși, s-a dovedit foarte dificil să se moduleze proprietățile fotonice ale PhTC-urilor 3D pe tot volumul lor. Printre provocări se numără crearea de rețele de pompare prea complexe – care creează ele însele interferențe parazitare cu undele electromagnetice care se propagă prin material.

Dimensionalitate redusă

În studiul lor, echipa lui Tretiakov a descoperit o soluție simplă la această problemă. „Am redus dimensionalitatea cristalelor de timp fotonic de la 3D la 2D, deoarece este mult mai ușor să construim structuri 2D în comparație cu structurile 3D”, explică el.

Cheia succesului abordării echipei constă în fizica unică a metasuprafețelor, care sunt materiale realizate din rețele 2D de structuri de dimensiuni sub-lungimi de undă. Aceste structuri pot fi adaptate în dimensiune, formă și aranjare pentru a manipula proprietățile undelor electromagnetice de intrare în moduri foarte specifice și utile.

După ce și-a fabricat noul design de metasuprafață cu microunde, echipa a arătat că banda interzisă de impuls a amplificat microundele în mod exponențial.

Aceste experimente au demonstrat în mod clar că metasuprafețele care variază în timp pot păstra proprietățile fizice cheie ale PhTC-urilor 3D, cu un beneficiu suplimentar cheie. „Versiunea noastră 2D a cristalelor de timp fotonic poate oferi amplificare atât pentru undele din spațiul liber, cât și pentru undele de suprafață, în timp ce omologii lor 3D nu pot amplifica undele de suprafață”, explică Tretyakov.

Aplicatii tehnologice

Cu multitudinea lor de avantaje față de cristalele de timp 3D, cercetătorii au în vedere o gamă largă de potențiale aplicații tehnologice pentru proiectarea lor.

„În viitor, cristalele noastre de timp fotonic 2D ar putea fi integrate în suprafețe inteligente reconfigurabile la frecvențe de microunde și unde milimetrice, cum ar fi cele din viitoarea bandă 6G”, spune Tretyakov. „Acest lucru ar putea îmbunătăți eficiența comunicațiilor fără fir.”

În timp ce metamaterialul lor este conceput special pentru manipularea microundelor, cercetătorii speră că ajustările suplimentare ale metasuprafeței lor ar putea extinde utilizarea la lumina vizibilă. Acest lucru ar deschide calea pentru dezvoltarea de noi materiale optice avansate.

Privind mai departe în viitor, Tretyakov și colegii sugerează că PhTC-urile 2D ar putea oferi o platformă convenabilă pentru crearea „cristalelor spațiu-timp” și mai ezoterice. Acestea sunt materiale ipotetice care ar prezenta modele repetate în timp și spațiu simultan.

Cercetarea este descrisă în Avansuri de știință.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Mintând viitorul cu Adryenn Ashley. Accesați Aici.
• Cumpărați și vindeți acțiuni în companii PRE-IPO cu PREIPO®. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/