确定了创建光子时间晶体的新方法
发布时间：2023-04-11 08:00:00 阅读数： 25
科学家们开发了一种制造光子时间晶体的新方法，并表明这种奇异的人工材料能够放大照射到它们的光线。
二维光子时间晶体如何提升光波的图示。图片来源：Xuchen Wang/阿尔托大学
在《科学进展》杂志的一项研究中解释了这种发现，它可能导致更有效、更强大的无线通信和大大增强的激光器。
最初，时间晶体是由诺贝尔奖获得者弗兰克-威尔切克在2012年构思的。世俗的、熟悉的晶体都有一个在空间中被重复的结构模式，但在时间晶体中，这个模式反而在时间中重复。
最初，虽然一些物理学家怀疑时间晶体可能存在，但最近的实验已经证明可以成功地制造它们。2022年，阿尔托大学低温实验室的科学家们制造了成对的时间晶体，这可能对量子设备有益。
目前，还有一个团队创造了光子时间晶体，它是基于时间的光学材料版本。科学家们制造了在微波频率下发挥作用的光子时间晶体，他们表明，这种晶体可以帮助放大电磁波。
这种能力有可能应用于多项技术，如激光器、无线通信和集成电路。
到目前为止，对光子时间晶体的研究主要集中在重型材料上，即三维结构。这已被证明是一个巨大的挑战，而且实验还没有超过具有任何实际应用的模型系统。
因此，该团队尝试了一种新的方法，包括来自阿尔托大学、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和斯坦福大学的科学家。新的方法是建立一个称为元表面的二维光子时间晶体。
我们发现，将维度从三维结构减少到二维结构，使得实施起来明显容易，这使得在现实中实现光子时间晶体成为可能。----王旭晨，研究的主要作者和阿尔托大学的博士生
目前，Wang在卡尔斯鲁厄理工学院工作。
新开发的方法使研究人员能够制造出光子时间晶体，并在实验上进一步证实关于其行为的理论预测。
我们首次证明了光子时间晶体能够以高增益放大入射光。在光子时间晶体中，光子被安排在一个随时间重复的模式中。这意味着晶体中的光子是同步和相干的，这可以导致光的建设性干涉和放大。-----王旭晨，研究的主要作者和阿尔托大学的博士生
光子的周期性排列意味着它们也可以通过增加放大倍数的方式进行互动。
二维光子时间晶体已经考虑了一系列可能的应用。通过放大电磁波，它们可以使无线发射器和接收器的功率或效率更高。
此外，Wang指出，用二维光子时间晶体涂抹表面可以帮助解决信号衰减问题，众所周知，信号衰减是无线传输中的一个重要问题。此外，光子时间晶体可以通过消除对通常用于激光腔的沉重镜子的要求来促进激光设计。
还有一个应用来自于发现二维光子时间晶体不仅能放大自由空间中的电磁波，还能放大与表面一起传播的波。表面波已被用于集成电路中电子元件之间的通信。
当表面波传播时，它受到材料损失的影响，信号强度会降低。通过将二维光子时间晶体集成到系统中，表面波可以被放大，并提高通信效率。-----王旭晨，研究主要作者，阿尔托大学博士生
参考资料
Wang, X., et al. (2023) Metasurface-based realization of photonic time crystals. Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.adg7541.
