Tinh thể thời gian quang tử khuếch đại vi sóng – Physics World

Một rào cản lớn đối với việc tạo ra các tinh thể thời gian quang tử trong phòng thí nghiệm đã được vượt qua bởi một nhóm các nhà nghiên cứu ở Phần Lan, Đức và Mỹ. Sergei Tretykov tại Đại học Aalto và các đồng nghiệp đã chỉ ra cách các thuộc tính thay đổi theo thời gian của những vật liệu kỳ lạ này có thể được nhận ra dễ dàng hơn nhiều ở dạng 2D so với 3D.

Lần đầu tiên được đề xuất bởi người đoạt giải Nobel Frank Wilczek vào năm 2012, tinh thể thời gian là một họ vật liệu nhân tạo độc đáo và đa dạng. Bạn có thể đọc thêm về chúng và ý nghĩa rộng hơn của chúng đối với vật lý trong điều này Thế giới vật lý bài viết của Philip Ball – nhưng tóm lại, chúng sở hữu những đặc tính thay đổi theo chu kỳ theo thời gian. Điều này không giống như các tinh thể thông thường có đặc tính thay đổi theo chu kỳ trong không gian.

Trong tinh thể thời gian quang tử (PhTC), các thuộc tính khác nhau có liên quan đến cách vật liệu tương tác với sóng điện từ tới. Tretyakov giải thích: “Đặc điểm độc đáo của những vật liệu này là khả năng khuếch đại các sóng tới do không bảo toàn năng lượng sóng trong các tinh thể thời gian quang tử.

Khoảng trống động lượng

Thuộc tính này là kết quả của “các khoảng trống động lượng” trong PhTC, trong đó các photon trong phạm vi động lượng cụ thể bị cấm lan truyền. Do các đặc tính độc đáo của PhTC, biên độ của sóng điện từ trong các vùng cấm này tăng theo cấp số nhân theo thời gian. Ngược lại, các khoảng cách tần số tương tự hình thành trong các PhTC tinh thể quang tử không gian thông thường, khiến sóng suy giảm theo thời gian.

PhTC hiện là một chủ đề phổ biến của nghiên cứu lý thuyết. Cho đến nay, các tính toán cho thấy rằng các tinh thể thời gian này sở hữu một tập hợp các thuộc tính duy nhất. Chúng bao gồm các cấu trúc topo kỳ lạ và khả năng khuếch đại bức xạ từ các nguyên tử và electron tự do.

Tuy nhiên, trong các thí nghiệm thực tế, rất khó điều chỉnh các đặc tính quang tử của 3D PhTC trong toàn bộ thể tích của chúng. Trong số những thách thức bao gồm việc tạo ra các mạng lưới bơm quá phức tạp – chính chúng tạo ra các giao thoa ký sinh với sóng điện từ truyền qua vật liệu.

Giảm kích thước

Trong nghiên cứu của mình, nhóm của Tretyakov đã phát hiện ra một cách khắc phục đơn giản cho vấn đề này. Ông giải thích: “Chúng tôi đã giảm kích thước của các tinh thể thời gian quang tử từ 3D xuống 2D, bởi vì việc xây dựng cấu trúc 2D dễ dàng hơn nhiều so với cấu trúc 3D.

Chìa khóa thành công trong phương pháp tiếp cận của nhóm nằm ở tính chất vật lý độc đáo của siêu bề mặt, là những vật liệu được tạo ra từ các mảng 2D của các cấu trúc có kích thước bước sóng phụ. Những cấu trúc này có thể được điều chỉnh về kích thước, hình dạng và cách sắp xếp để điều khiển các thuộc tính của sóng điện từ tới theo những cách rất cụ thể và hữu ích.

Sau khi chế tạo thiết kế siêu bề mặt vi sóng mới của họ, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoảng cách dải động lượng của nó đã khuếch đại vi sóng theo cấp số nhân.

Các thí nghiệm này đã chứng minh rõ ràng rằng các siêu giao diện thay đổi theo thời gian có thể bảo toàn các thuộc tính vật lý chính của PhTC 3D, với một lợi ích bổ sung quan trọng. Tretyakov giải thích: “Phiên bản 2D của các tinh thể thời gian quang tử của chúng tôi có thể cung cấp khả năng khuếch đại cho cả sóng không gian tự do và sóng bề mặt, trong khi các bản sao 3D của chúng không thể khuếch đại sóng bề mặt.

ứng dụng công nghệ

Với hàng loạt ưu điểm của chúng so với các tinh thể thời gian 3D, các nhà nghiên cứu đã hình dung ra rất nhiều ứng dụng công nghệ tiềm năng cho thiết kế của họ.

Tretyakov nói: “Trong tương lai, các tinh thể thời gian quang tử 2D của chúng tôi có thể được tích hợp vào các bề mặt thông minh có thể cấu hình lại ở tần số vi sóng và sóng milimet, chẳng hạn như các tần số trong dải 6G sắp tới”. “Điều này có thể nâng cao hiệu quả giao tiếp không dây.”

Mặc dù siêu vật liệu của chúng được thiết kế đặc biệt để điều khiển vi sóng, nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng rằng những điều chỉnh tiếp theo đối với siêu bề mặt của chúng có thể mở rộng việc sử dụng nó sang ánh sáng khả kiến. Điều này sẽ mở đường cho sự phát triển của các vật liệu quang học tiên tiến mới.

Nhìn xa hơn về tương lai, Tretyakov và các đồng nghiệp gợi ý rằng các PhTC 2D có thể cung cấp một nền tảng thuận tiện để tạo ra các “tinh thể không-thời gian” bí truyền hơn nữa. Đây là những vật liệu giả thuyết sẽ biểu hiện đồng thời các mẫu lặp lại trong thời gian và không gian.

Nghiên cứu được mô tả trong Những tiến bộ khoa học.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• Mua và bán cổ phần trong các công ty PRE-IPO với PREIPO®. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/