Fotonski časovni kristal ojača mikrovalove – svet fizike

Skupina raziskovalcev na Finskem, v Nemčiji in ZDA je premagala veliko oviro pri ustvarjanju fotonskih časovnih kristalov v laboratoriju. Sergej Tretjakov na univerzi Aalto in sodelavci so pokazali, kako je mogoče časovno spremenljive lastnosti teh eksotičnih materialov veliko lažje realizirati v 2D kot v 3D.

Prvi predlagal Nobelov nagrajenec Frank Wilczek v letu 2012 so časovni kristali edinstvena in raznolika družina umetnih materialov. Več o njih in njihovih širših posledicah za fiziko lahko preberete v ta Svet fizike članek Philipa Balla – a na kratko, imajo lastnosti, ki se občasno spreminjajo v času. To je za razliko od običajnih kristalov, katerih lastnosti se občasno spreminjajo v prostoru.

V fotonskih časovnih kristalih (PhTC) so različne lastnosti povezane s tem, kako materiali medsebojno delujejo z vpadnimi elektromagnetnimi valovi. "Edinstvena značilnost teh materialov je njihova sposobnost ojačanja prihajajočih valov zaradi ne-ohranjanja valovne energije v fotonskih časovnih kristalih," pojasnjuje Tretyakov.

Zagonske vrzeli

Ta lastnost je posledica "pasovnih vrzeli zagona" v PhTC, v katerih je fotonom znotraj določenih razponov momentov prepovedano širjenje. Zaradi njihovih edinstvenih lastnosti PhTC-jev amplitude elektromagnetnih valov znotraj teh pasovnih rež sčasoma eksponentno rastejo. Nasprotno pa analogni frekvenčni pasovi, ki nastanejo v pravilnih, prostorskih fotonskih kristalih PhTC, povzročijo, da valovi sčasoma oslabijo.

PhTCs so zdaj priljubljen predmet teoretičnega preučevanja. Dosedanji izračuni kažejo, da imajo ti časovni kristali edinstven niz lastnosti. Ti vključujejo eksotične topološke strukture in sposobnost ojačanja sevanja prostih elektronov in atomov.

V resničnih poskusih pa se je izkazalo, da je zelo težko modulirati fotonske lastnosti 3D PhTC po vsej njihovi prostornini. Med izzivi je tudi ustvarjanje preveč zapletenih črpalnih omrežij, ki sama ustvarjajo parazitske motnje z elektromagnetnimi valovi, ki se širijo skozi material.

Zmanjšana dimenzionalnost

Tretjakova ekipa je v svoji študiji odkrila preprosto rešitev te težave. "Zmanjšali smo dimenzionalnost fotonskih časovnih kristalov iz 3D v 2D, ker je veliko lažje konstruirati 2D strukture v primerjavi s 3D strukturami," pojasnjuje.

Ključ do uspeha pristopa ekipe je v edinstveni fiziki metapovršin, ki so materiali, izdelani iz 2D nizov struktur velikosti pod valovno dolžino. Te strukture je mogoče prilagoditi po velikosti, obliki in razporeditvi, da se na zelo specifične in uporabne načine manipulira z lastnostmi prihajajočih elektromagnetnih valov.

Po izdelavi njihove nove zasnove mikrovalovne metapovršine je ekipa pokazala, da njen zagonski pasovni razmik eksponentno ojača mikrovalove.

Ti poskusi so jasno pokazali, da lahko časovno spremenljive metapovršine ohranijo ključne fizikalne lastnosti 3D PhTC, z eno ključno dodatno prednostjo. "Naša 2D različica fotonskih časovnih kristalov lahko zagotovi ojačanje valov v prostem prostoru in površinskih valov, medtem ko njihovi 3D primerki ne morejo ojačati površinskih valov," pojasnjuje Tretyakov.

Tehnološke aplikacije

S številnimi prednostmi pred 3D časovnimi kristali raziskovalci predvidevajo široko paleto možnih tehnoloških aplikacij za njihovo zasnovo.

"V prihodnosti bi lahko naše 2D fotonske časovne kristale integrirali v rekonfigurabilne inteligentne površine pri frekvencah mikrovalovnih in milimetrskih valov, kot so tiste v prihajajočem pasu 6G," pravi Tretyakov. "To bi lahko povečalo učinkovitost brezžične komunikacije."

Medtem ko je njihov metamaterial zasnovan posebej za manipulacijo mikrovalov, raziskovalci upajo, da bi nadaljnje prilagoditve njihove metapovršine lahko razširile njegovo uporabo na vidno svetlobo. To bi utrlo pot razvoju novih naprednih optičnih materialov.

Če pogledamo dlje v prihodnost, Tretyakov in sodelavci predlagajo, da bi 2D PhTC lahko zagotovili priročno platformo za ustvarjanje še bolj ezoteričnih "kristalov prostor-čas". To so hipotetični materiali, ki bi pokazali ponavljajoče se vzorce v času in prostoru hkrati.

Raziskava je opisana v Znanost Predplačila.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoAiStream. Podatkovna inteligenca Web3. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• Kupujte in prodajajte delnice podjetij pred IPO s PREIPO®. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/