光子时间晶体放大微波——物理世界

芬兰、德国和美国的一组研究人员克服了在实验室中制造光子时间晶体的主要障碍。 谢尔盖·特列季亚科夫（Sergei Tretyakov） 阿尔托大学及其同事展示了如何在 2D 中比在 3D 中更容易地实现这些奇异材料的时变特性。

由诺贝尔奖得主首次提出 弗兰克·威尔泽克 2012年，时间水晶是一个独特而多样的人造材料家族。 您可以阅读更多关于它们的信息以及它们对物理学的更广泛影响 Free Introduction 物理世界 刊文 作者 Philip Ball——但简而言之，它们具有随时间周期性变化的特性。 这与传统晶体不同，后者具有在空间中周期性变化的特性。

在光子时间晶体 (PhTC) 中，不同的特性与材料如何与入射电磁波相互作用有关。 “这些材料的独特之处在于，由于光子时间晶体内的波能不守恒，它们能够放大入射波，”Tretyakov 解释道。

动量带隙

这种特性是 PhTC 中“动量带隙”的结果，其中特定动量范围内的光子被禁止传播。 由于 PhTC 的独特特性，这些带隙内的电磁波振幅随时间呈指数增长。 相反，在规则的空间光子晶体 PhTC 中形成的类似频率带隙会导致波随时间衰减。

PhTC 现在是理论研究的热门课题。 到目前为止，计算表明这些时间晶体具有一组独特的特性。 这些包括奇异的拓扑结构，以及放大自由电子和原子辐射的能力。

然而，在实际实验中，事实证明很难在整个体积内调制 3D PhTC 的光子特性。 其中的挑战包括创建过于复杂的泵送网络——它们本身会对通过材料传播的电磁波产生寄生干扰。

降维

在他们的研究中，Tretyakov 的团队发现了解决这个问题的简单方法。 “我们已经将光子时间晶体的维度从 3D 降低到 2D，因为与 2D 结构相比，构建 3D 结构要容易得多，”他解释道。

该团队方法成功的关键在于超表面的独特物理特性，超表面是由二维亚波长结构阵列制成的材料。 这些结构可以在尺寸、形状和排列方面进行定制，以便以高度特定和有用的方式操纵入射电磁波的特性。

在制造出新的微波超表面设计后，该团队表明其动量带隙以指数方式放大了微波。

这些实验清楚地表明，时变超表面可以保留 3D PhTC 的关键物理特性，并具有一个关键的额外好处。 “我们的 2D 版本光子时间晶体可以为自由空间波和表面波提供放大，而它们的 3D 版本不能放大表面波，”Tretyakov 解释道。

技术应用

凭借与 3D 时间晶体相比的众多优势，研究人员为他们的设计设想了广泛的潜在技术应用。

“在未来，我们的 2D 光子时间晶体可以集成到微波和毫米波频率的可重构智能表面中，例如即将到来的 6G 频段中的表面，”Tretyakov 说。 “这可以提高无线通信效率。”

虽然他们的超材料专为操纵微波而设计，但研究人员希望进一步调整他们的超表面可以将其应用扩展到可见光。 这将为开发新型先进光学材料铺平道路。

展望未来，Tretyakov 及其同事建议，二维 PhTC 可以为创建更深奥的“时空晶体”提供一个方便的平台。 这些是假设的材料，它们会同时在时间和空间上表现出重复的模式。

该研究描述于 科学进展.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/photonic-time-crystal-amplifies-microwaves/