Фотонный кристалл времени усиливает микроволны

Главный барьер на пути создания фотонных кристаллов времени в лаборатории был преодолен группой исследователей из Финляндии, Германии и США. Сергей Третьяков из Университета Аалто и его коллеги показали, как изменяющиеся во времени свойства этих экзотических материалов гораздо легче реализовать в 2D, чем в 3D.

Впервые предложен нобелевским лауреатом Фрэнк Вильчек в 2012 году кристаллы времени представляют собой уникальное и разнообразное семейство искусственных материалов. Вы можете прочитать больше о них и их более широком значении для физики в этой Мир физики гайд Филипом Боллом, но в двух словах они обладают свойствами, которые периодически меняются во времени. Это не похоже на обычные кристаллы, свойства которых периодически меняются в пространстве.

В фотонных кристаллах времени (PhTC) различные свойства связаны с тем, как материалы взаимодействуют с падающими электромагнитными волнами. «Уникальной характеристикой этих материалов является их способность усиливать входящие волны из-за несохранения волновой энергии в фотонных кристаллах времени», — объясняет Третьяков.

Запрещенная зона импульса

Это свойство является результатом «запрещенной зоны импульса» в PhTC, в которых фотонам в определенных диапазонах импульсов запрещено распространение. Благодаря своим уникальным свойствам PhTC амплитуды электромагнитных волн в пределах этих запрещенных зон экспоненциально растут со временем. Напротив, аналогичные запрещенные зоны частот, которые образуются в регулярных пространственных фотонных кристаллах PhTC, вызывают затухание волн с течением времени.

PhTC в настоящее время являются популярным предметом теоретических исследований. На данный момент расчеты показывают, что эти кристаллы времени обладают уникальным набором свойств. К ним относятся экзотические топологические структуры и способность усиливать излучение свободных электронов и атомов.

Однако в реальных экспериментах оказалось очень сложно модулировать фотонные свойства 3D PhTC по всему их объему. К числу проблем относится создание чрезмерно сложных сетей накачки, которые сами по себе создают паразитные помехи электромагнитным волнам, распространяющимся через материал.

Уменьшенная размерность

В своем исследовании группа Третьякова нашла простое решение этой проблемы. «Мы уменьшили размерность фотонных кристаллов времени с 3D до 2D, потому что строить 2D-структуры гораздо проще, чем 3D-структуры», — объясняет он.

Ключ к успеху подхода команды лежит в уникальной физике метаповерхностей, которые представляют собой материалы, состоящие из двумерных массивов субволновых структур. Эти структуры могут быть адаптированы по размеру, форме и расположению, чтобы манипулировать свойствами входящих электромагнитных волн весьма специфическими и полезными способами.

После изготовления своей новой конструкции микроволновой метаповерхности команда показала, что ее импульсная ширина запрещенной зоны экспоненциально усиливает микроволны.

Эти эксперименты ясно продемонстрировали, что изменяющиеся во времени метаповерхности могут сохранять ключевые физические свойства 3D PhTC с одним важным дополнительным преимуществом. «Наша двухмерная версия фотонных кристаллов времени может обеспечивать усиление как волн в свободном пространстве, так и поверхностных волн, в то время как их трехмерные аналоги не могут усиливать поверхностные волны», — объясняет Третьяков.

Технологические приложения

Имея множество преимуществ по сравнению с трехмерными кристаллами времени, исследователи предвидят широкий спектр потенциальных технологических применений их конструкции.

«В будущем наши двухмерные фотонные кристаллы времени можно будет интегрировать в реконфигурируемые интеллектуальные поверхности на микроволновых и миллиметровых частотах, например, в грядущем диапазоне 2G», — говорит Третьяков. «Это может повысить эффективность беспроводной связи».

Хотя их метаматериал разработан специально для управления микроволнами, исследователи надеются, что дальнейшие корректировки их метаповерхности могут расширить его использование для видимого света. Это проложит путь к разработке новых передовых оптических материалов.

Глядя в будущее, Третьяков и его коллеги предполагают, что 2D PhTC могут предоставить удобную платформу для создания еще более эзотерических «кристаллов пространства-времени». Это гипотетические материалы, которые будут демонстрировать повторяющиеся узоры во времени и пространстве одновременно.

Исследование описано в Наука развивается.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/