研究人員開發(fā)出了一種制造光子時間晶體的方法，并已經(jīng)證明這些奇異的人造材料可以放大照射在它們身上的光。發(fā)布在近期《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一篇論文描述了這些發(fā)現(xiàn)，該發(fā)現(xiàn)可能會帶來更高效、更穩(wěn)健的無線通信，并顯著改善激光器。

二維光子時間晶體如何增強(qiáng)光波的示意圖 諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek在2012年首次構(gòu)想出時間晶體。我們熟悉的晶體具有在空間中重復(fù)的結(jié)構(gòu)模式，但在時間晶體中，這種模式卻在時間中重復(fù)。雖然一些物理學(xué)家最初懷疑時間晶體是否存在，但最近的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功地創(chuàng)造了它們。去年，阿爾托大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室的研究人員創(chuàng)造了可用于量子設(shè)備的成對時間晶體。

現(xiàn)在，另一個團(tuán)隊(duì)制造了光子時間晶體，這是基于時間的光學(xué)材料。研究人員創(chuàng)造了在微波頻率下工作的光子時間晶體，他們證明這種晶體可以放大電磁波。這種能力在各種技術(shù)中都有潛在的應(yīng)用，包括無線通信、集成電路和激光。

到目前為止，對光子時間晶體的研究主要集中在塊狀材料，即三維結(jié)構(gòu)上。事實(shí)證明，這極具挑戰(zhàn)性，并且實(shí)驗(yàn)還沒有通過沒有實(shí)際應(yīng)用的模型系統(tǒng)。因此，包括來自阿爾托大學(xué)、卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)和斯坦福大學(xué)的研究人員在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)嘗試了一種新方法：構(gòu)建一個二維光子時間晶體，稱為超表面。 該研究的主要作者Xuchen Wang是阿爾托大學(xué)的博士生，目前在KIT工作，Wang說：“我們發(fā)現(xiàn)，將三維結(jié)構(gòu)降到二維結(jié)構(gòu)使實(shí)現(xiàn)變得更加容易，這使得在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)光子時間晶體成為可能”。

新方法使團(tuán)隊(duì)能夠制造光子時間晶體并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對其行為的理論預(yù)測。Xuchen Wang說：“我們首次證明光子時間晶體可以以高增益放大入射光?！?/p>

Wang解釋道：“在光子時間晶體中，光子排列成隨時間重復(fù)的模式。這意味著晶體中的光子是同步且相干的，這會導(dǎo)致光的相長干涉和放大，光子的周期性排列意味著它們也能以增強(qiáng)放大的方式相互作用?！?二維光子時間晶體具有一系列潛在應(yīng)用。通過放大電磁波，它們可以使無線發(fā)射器和接收器更強(qiáng)大或更高效。

Wang 指出，在表面涂上二維光子時間晶體也有助于解決信號衰減問題，這是無線傳輸中的一個重要問題。光子時間晶體還可以通過消除通常用于激光腔的體鏡來簡化激光器設(shè)計(jì)。 另一個應(yīng)用來自二維光子時間晶體的發(fā)現(xiàn)，它不僅放大在自由空間中撞擊它們的電磁波，還放大沿著表面?zhèn)鞑サ牟?。Wang說：“表面波用于集成電路中電子元件之間的通信當(dāng)表面波傳播時，它會遭受材料損耗，并且信號強(qiáng)度會降低。將二維光子時間晶體集成到系統(tǒng)中，可以放大表面波，提高通信效率。”

審核編輯：劉清