Фотонний кристал часу підсилює мікрохвилі – Physics World

Команда дослідників із Фінляндії, Німеччини та США подолала головну перешкоду для створення фотонних кристалів часу в лабораторії. Сергій Третьяков в Університеті Аалто та його колеги показали, як змінні в часі властивості цих екзотичних матеріалів можна набагато легше реалізувати у 2D, ніж у 3D.

Вперше запропонований нобелівським лауреатом Френк Вільчек у 2012 році кристали часу — це унікальне та різноманітне сімейство штучних матеріалів. Ви можете прочитати більше про них та їх ширший вплив на фізику в це Світ фізики стаття Філіпа Болла, але в двох словах вони мають властивості, які періодично змінюються в часі. Це на відміну від звичайних кристалів, властивості яких періодично змінюються в просторі.

У фотонних кристалах часу (PhTCs) різноманітні властивості пов’язані з тим, як матеріали взаємодіють із падаючими електромагнітними хвилями. «Унікальною характеристикою цих матеріалів є їхня здатність посилювати вхідні хвилі через незбереження хвильової енергії в фотонних кристалах часу», — пояснює Третьяков.

Імпульс забороненої зони

Ця властивість є результатом «заборонених зон імпульсу» у PhTC, у яких фотонам у певних діапазонах імпульсів заборонено поширюватися. Завдяки своїм унікальним властивостям PhTCs амплітуди електромагнітних хвиль у цих заборонених зонах експоненціально зростають з часом. Навпаки, аналогічні заборонені зони частот, які утворюються в регулярних просторових фотонних кристалах PhTCs, викликають ослаблення хвиль з часом.

PhTCs зараз є популярним предметом теоретичних досліджень. Поки що розрахунки показують, що ці кристали часу мають унікальний набір властивостей. До них відносяться екзотичні топологічні структури та здатність посилювати випромінювання вільних електронів і атомів.

Однак у реальних експериментах виявилося дуже важко модулювати фотонні властивості 3D PhTC по всьому їх об’єму. Серед проблем можна назвати створення надто складних насосних мереж, які самі по собі створюють паразитні перешкоди електромагнітним хвилям, що поширюються через матеріал.

Зменшена розмірність

У своєму дослідженні команда Третьякова знайшла просте вирішення цієї проблеми. «Ми зменшили розмірність фотонних кристалів часу з 3D до 2D, тому що набагато легше побудувати 2D-структури порівняно з 3D-структурами», — пояснює він.

Ключ до успіху підходу команди лежить в унікальній фізиці метаповерхонь, які являють собою матеріали, виготовлені з двовимірних масивів структур розміром менше довжини хвилі. Ці структури можна налаштувати за розміром, формою та розташуванням, щоб маніпулювати властивостями вхідних електромагнітних хвиль дуже специфічними та корисними способами.

Після виготовлення своєї нової конструкції мікрохвильової метаповерхні команда показала, що її імпульсна заборонена зона експоненціально посилює мікрохвилі.

Ці експерименти чітко продемонстрували, що метаповерхні, що змінюються в часі, можуть зберігати ключові фізичні властивості 3D PhTC з однією ключовою додатковою перевагою. «Наша двовимірна версія фотонних кристалів часу може забезпечувати посилення як хвиль у вільному просторі, так і поверхневих хвиль, тоді як їхні тривимірні аналоги не можуть посилювати поверхневі хвилі», — пояснює Третьяков.

Технологічні додатки

Маючи безліч переваг перед 3D-кристалами часу, дослідники передбачають широкий спектр потенційних технологічних застосувань для їх розробки.

«У майбутньому наші двовимірні фотонні кристали часу можна буде інтегрувати в реконфігуровані інтелектуальні поверхні на мікрохвильових і міліметрових частотах, наприклад, у майбутньому діапазоні 2G», — говорить Третьяков. «Це може підвищити ефективність бездротового зв’язку».

Хоча їхній метаматеріал розроблений спеціально для роботи з мікрохвилями, дослідники сподіваються, що подальші коригування їх метаповерхні можуть розширити його використання для видимого світла. Це відкриє шлях до розробки нових передових оптичних матеріалів.

Дивлячись у майбутнє, Третьяков та його колеги припускають, що 2D PhTC можуть стати зручною платформою для створення ще більш езотеричних «просторово-часових кристалів». Це гіпотетичні матеріали, які демонстрували б повторювані візерунки в часі та просторі одночасно.

Дослідження описано в Наука розвивається.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/