Photonic time crystal ขยายคลื่นไมโครเวฟ – Physics World

Photonic time crystal ขยายคลื่นไมโครเวฟ – Physics World

ประทับเวลา: 13 พฤษภาคม 2023 10:03 น

คริสตัลเวลาโทนิค
metamaterial ที่แปรผันตามเวลา: ภาพประกอบว่าผลึกเวลาโทนิคแบบ 2 มิติสามารถขยายคลื่นแสงได้อย่างไร (เอื้อเฟื้อ: Xuchen Wang/Aalto University)

อุปสรรคสำคัญในการสร้างผลึกเวลาโทนิคในห้องทดลองถูกเอาชนะโดยทีมนักวิจัยในฟินแลนด์ เยอรมนี และสหรัฐอเมริกา เซอร์เกย์ เทรตยาคอฟ ที่ Aalto University และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติที่แตกต่างกันตามเวลาของวัสดุแปลกใหม่เหล่านี้สามารถรับรู้ในรูปแบบ 2 มิติได้ง่ายกว่าในรูปแบบ 3 มิติอย่างไร

เสนอครั้งแรกโดยผู้ได้รับรางวัลโนเบล แฟรงค์ วิลเชค ในปี 2012 ไทม์คริสตัลเป็นตระกูลวัสดุประดิษฐ์ที่มีเอกลักษณ์และหลากหลาย คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับพวกมันและความหมายที่กว้างขึ้นสำหรับฟิสิกส์ได้ใน นี้ โลกฟิสิกส์ บทความ โดย Philip Ball – แต่โดยสรุปแล้วพวกมันมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปตามกาลเวลา ซึ่งแตกต่างจากคริสตัลทั่วไปซึ่งมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปเป็นระยะๆ ในอวกาศ

ในโทนิคไทม์คริสตัล (PhTCs) คุณสมบัติที่แตกต่างกันนั้นเกี่ยวข้องกับวิธีที่วัสดุทำปฏิกิริยากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบ Tretyakov อธิบายว่า "ลักษณะพิเศษเฉพาะของวัสดุเหล่านี้คือความสามารถในการขยายคลื่นที่เข้ามาเนื่องจากพลังงานคลื่นที่ไม่สงวนไว้ภายในผลึกเวลาโทนิค" Tretyakov อธิบาย

ช่องว่างของโมเมนตัม

คุณสมบัตินี้เป็นผลจาก "โมเมนตัมแบนด์แกป" ใน PhTCs ซึ่งโฟตอนที่อยู่ภายในช่วงของโมเมนตาที่เจาะจงจะถูกห้ามไม่ให้แพร่กระจาย เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของ PhTCs แอมพลิจูดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายในแบนด์แกปเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณเมื่อเวลาผ่านไป ในทางตรงกันข้าม แถบความถี่แบบอะนาล็อกซึ่งก่อตัวขึ้นในผลึกโทนิคเชิงพื้นที่ปกติ PhTCs ทำให้คลื่นลดทอนลงเมื่อเวลาผ่านไป

PhTCs เป็นวิชายอดนิยมของการศึกษาเชิงทฤษฎี จนถึงตอนนี้ การคำนวณบ่งชี้ว่าคริสตัลแห่งเวลาเหล่านี้มีคุณสมบัติเฉพาะ ซึ่งรวมถึงโครงสร้างทอพอโลยีที่แปลกใหม่ และความสามารถในการขยายการแผ่รังสีจากอิเล็กตรอนและอะตอมอิสระ

อย่างไรก็ตาม ในการทดลองจริง การปรับคุณสมบัติโฟโตนิกของ 3D PhTCs ตลอดปริมาตรนั้นทำได้ยากมาก ท่ามกลางความท้าทาย ได้แก่ การสร้างเครือข่ายสูบน้ำที่ซับซ้อนมากเกินไป ซึ่งสร้างการรบกวนของกาฝากด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายผ่านวัสดุ

มิติที่ลดลง

ในการศึกษาของพวกเขา ทีมของ Tretyakov ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหานี้อย่างง่ายๆ “เราได้ลดมิติของผลึกเวลาโทนิคจาก 3 มิติเป็น 2 มิติ เนื่องจากการสร้างโครงสร้าง 2 มิติง่ายกว่ามากเมื่อเทียบกับโครงสร้าง 3 มิติ” เขาอธิบาย

กุญแจสู่ความสำเร็จของแนวทางของทีมอยู่ที่ฟิสิกส์เฉพาะของพื้นผิวเมตา ซึ่งเป็นวัสดุที่ทำจากอาร์เรย์ 2 มิติของโครงสร้างขนาดความยาวคลื่นย่อย โครงสร้างเหล่านี้สามารถปรับขนาด รูปร่าง และการจัดเรียงเพื่อจัดการกับคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามาในรูปแบบที่เฉพาะเจาะจงและมีประโยชน์สูง

หลังจากสร้างการออกแบบ metasurface ไมโครเวฟใหม่ ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าโมเมนตัม bandgap ขยายคลื่นไมโครเวฟแบบทวีคูณ

การทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า metasurfaces ที่แปรผันตามกาลเวลาสามารถรักษาคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญของ 3D PhTCs ไว้ได้ โดยมีประโยชน์เพิ่มเติมที่สำคัญประการหนึ่ง Tretyakov อธิบาย “ผลึกเวลาโทนิครุ่น 2 มิติของเราสามารถให้การขยายทั้งคลื่นพื้นที่ว่างและคลื่นพื้นผิว ในขณะที่ผลึกแบบ 3 มิติไม่สามารถขยายคลื่นพื้นผิวได้” Tretyakov อธิบาย

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี

ด้วยความได้เปรียบเหนือผลึกแห่งเวลาแบบ 3 มิติ นักวิจัยจึงมองเห็นขอบเขตของการใช้งานทางเทคโนโลยีที่เป็นไปได้มากมายสำหรับการออกแบบของพวกเขา

Tretyakov กล่าวว่า "ในอนาคต ผลึกเวลาโทนิคแบบ 2 มิติของเราสามารถรวมเข้ากับพื้นผิวอัจฉริยะที่กำหนดค่าใหม่ได้ที่ความถี่คลื่นไมโครเวฟและมิลลิเมตร เช่น ย่านความถี่ 6G ที่กำลังจะมาถึง" Tretyakov กล่าว “สิ่งนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการสื่อสารไร้สายได้”

แม้ว่าวัสดุเมตาของพวกมันได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการจัดการกับไมโครเวฟ นักวิจัยหวังว่าการปรับเมตาพื้นผิวของพวกมันเพิ่มเติมจะขยายการใช้งานไปยังแสงที่มองเห็นได้ สิ่งนี้จะเป็นการปูทางสำหรับการพัฒนาวัสดุออพติคอลขั้นสูงใหม่

เมื่อมองไกลไปในอนาคต Tretyakov และเพื่อนร่วมงานแนะนำว่า 2D PhTCs สามารถเป็นแพลตฟอร์มที่สะดวกสำหรับการสร้าง "ผลึกอวกาศ-เวลา" ที่ลึกลับยิ่งขึ้นไปอีก สิ่งเหล่านี้เป็นวัสดุสมมุติที่จะแสดงรูปแบบซ้ำๆ กันในเวลาและพื้นที่พร้อมกัน

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์