一種制造光子時(shí)間晶體的方法介紹

研究人員開發(fā)出了一種制造光子時(shí)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(huì)帶來(lái)更高效、更穩(wěn)健的無(wú)線通信，并顯著改善激光器。

二維光子時(shí)間晶體如何增強(qiáng)光波的示意圖 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Frank Wilczek在2012年首次構(gòu)想出時(shí)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(shí)間晶體中，這種模式卻在時(shí)間中重復(fù)。雖然一些物理學(xué)家最初懷疑時(shí)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(duì)時(shí)間晶體。

現(xiàn)在，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)制造了光子時(shí)間晶體，這是基于時(shí)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(shí)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(wú)線通信、集成電路和激光。

到目前為止，對(duì)光子時(shí)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(méi)有通過(guò)沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的模型系統(tǒng)。因此，包括來(lái)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(gè)二維光子時(shí)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(shuō)：“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(shí)間晶體成為可能”。

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

Wang解釋道：“在光子時(shí)間晶體中，光子排列成隨時(shí)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(huì)導(dǎo)致光的相長(zhǎng)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(shí)間晶體具有一系列潛在應(yīng)用。通過(guò)放大電磁波，它們可以使無(wú)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(shí)間晶體也有助于解決信號(hào)衰減問(wèn)題，這是無(wú)線傳輸中的一個(gè)重要問(wèn)題。光子時(shí)間晶體還可以通過(guò)消除通常用于激光腔的體鏡來(lái)簡(jiǎn)化激光器設(shè)計(jì)。 另一個(gè)應(yīng)用來(lái)自二維光子時(shí)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(shuō)：“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(shí)，它會(huì)遭受材料損耗，并且信號(hào)強(qiáng)度會(huì)降低。將二維光子時(shí)間晶體集成到系統(tǒng)中，可以放大表面波，提高通信效率?！?/p>

審核編輯：劉清