Fotonisk tidskristall förstärker mikrovågor – Physics World

Ett stort hinder för att skapa fotoniska tidskristaller i labbet har övervunnits av ett team av forskare i Finland, Tyskland och USA. Sergei Tretyakov vid Aalto-universitetet och kollegor har visat hur de tidsvarierande egenskaperna hos dessa exotiska material kan realiseras mycket lättare i 2D än i 3D.

Första förslaget av Nobelpristagaren Frank Wilczek 2012 är tidskristaller en unik och mångsidig familj av konstgjorda material. Du kan läsa mer om dem och deras bredare konsekvenser för fysiken i detta Fysikvärlden Artikeln av Philip Ball – men i ett nötskal, de besitter egenskaper som varierar periodvis i tiden. Detta är till skillnad från konventionella kristaller, som har egenskaper som varierar periodiskt i rymden.

I fotoniska tidskristaller (PhTC) är de varierande egenskaperna relaterade till hur materialen interagerar med infallande elektromagnetiska vågor. "Den unika egenskapen hos dessa material är deras förmåga att förstärka inkommande vågor på grund av att vågenergin inte bevaras i de fotoniska tidskristallerna," förklarar Tretyakov.

Momentum bandgap

Den här egenskapen är ett resultat av "momentum bandgaps" i PhTCs, där fotoner inom specifika momentintervall är förbjudna att spridas. På grund av deras unika egenskaper hos PhTC växer amplituderna för elektromagnetiska vågor inom dessa bandgap exponentiellt över tiden. Däremot orsakar de analoga frekvensbandgapen som bildas i vanliga, rumsliga fotoniska kristaller PhTCs vågor att dämpas över tiden.

PhTCs är nu ett populärt ämne för teoretiska studier. Hittills tyder beräkningar på att dessa tidskristaller har en unik uppsättning egenskaper. Dessa inkluderar exotiska topologiska strukturer och en förmåga att förstärka strålning från fria elektroner och atomer.

I verkliga experiment har det dock visat sig vara mycket svårt att modulera de fotoniska egenskaperna hos 3D PhTC genom hela deras volym. Bland utmaningarna är skapandet av alltför komplexa pumpnätverk – som i sig skapar parasitiska störningar med elektromagnetiska vågor som utbreder sig genom materialet.

Minskad dimensionalitet

I sin studie upptäckte Tretyakovs team en enkel lösning på detta problem. "Vi har minskat dimensionaliteten hos fotoniska tidskristaller från 3D till 2D, eftersom det är mycket lättare att konstruera 2D-strukturer jämfört med 3D-strukturer", förklarar han.

Nyckeln till framgången för teamets tillvägagångssätt ligger i den unika fysiken hos metasytor, som är material gjorda av 2D-matriser av strukturer i sub-våglängdsstorlek. Dessa strukturer kan skräddarsys i storlek, form och arrangemang för att manipulera egenskaperna hos inkommande elektromagnetiska vågor på mycket specifika och användbara sätt.

Efter att ha tillverkat sin nya mikrovågsmetasytedesign visade teamet att dess momentumbandgap förstärkte mikrovågorna exponentiellt.

Dessa experiment visade tydligt att tidsvarierande metasytor kan bevara de viktigaste fysiska egenskaperna hos 3D PhTC, med ytterligare en viktig fördel. "Vår 2D-version av fotoniska tidskristaller kan ge förstärkning för både fria rymdvågor och ytvågor, medan deras 3D-motsvarigheter inte kan förstärka ytvågor," förklarar Tretyakov.

Tekniska tillämpningar

Med sin mängd fördelar jämfört med 3D-tidskristaller, föreställer sig forskarna en lång rad potentiella tekniska tillämpningar för deras design.

"I framtiden kan våra 2D fotoniska tidskristaller integreras i omkonfigurerbara intelligenta ytor vid mikrovågs- ​​och millimetervågsfrekvenser, som de i det kommande 6G-bandet", säger Tretyakov. "Detta kan förbättra effektiviteten i trådlös kommunikation."

Medan deras metamaterial är designat specifikt för att manipulera mikrovågor, hoppas forskarna att ytterligare justeringar av deras metayta kan utöka användningen till synligt ljus. Detta skulle bana väg för utvecklingen av nya avancerade optiska material.

Ser man längre in i framtiden, föreslår Tretyakov och kollegor att 2D PhTCs skulle kunna ge en bekväm plattform för att skapa de ännu mer esoteriska "rymd-tidskristallerna". Dessa är hypotetiska material som skulle uppvisa upprepade mönster i tid och rum samtidigt.

Forskningen beskrivs i Vetenskap Förskott.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/