光子时间晶体可能为光学的一个新分支打开大门
发布时间：2023-07-10 08:00:00 阅读数： 92
在单周期系统中测量时间折射的实验装置。(A) 调制器-探针装置的示意图。调制器是一束800nm（中心）波长的脉冲光，通过空心光纤（HCF）系统压缩到不同的脉冲持续时间，照亮样品的一个700μm直径的区域。探针光束是一个下变频的40 fs脉冲，波长为1200 nm。调制器和探针脉冲是同步的，以不同的相对延迟到达TCO样品。传输探头的强度和光谱以及反射探头的强度被测量。(B）6 fs FWHM调制器脉冲的强度曲线（通过FROG检索），由空心光纤中的压缩产生。在主叶中标记的红色摆动线说明了在调制器脉冲中探头的波振荡，表明探头脉冲在调制器脉冲中经历了不到两次的振荡。(C) 探头脉冲的强度曲线，由FROG检索。在主叶中标出的红色蠕动线说明了探头的波形振荡。实际的载波包络相位没有被测量。(D) 通过椭圆仪测量的310纳米厚的ITO样品的介电常数的实部和虚部。资料来源：纳米光子学（2023）。DOI: 10.1515/nanoph-2023-0126
发表在《纳米光子学》杂志上的一项新研究表明，折射率--电磁辐射在介质中的速度与在真空中的速度之比--可以被快速调制，足以在光谱的近可见部分产生光子时间晶体（PTCs）。该研究的作者认为，在光域中维持PTC的能力可能会对光科学产生深远的影响，在未来实现真正的颠覆性应用。
PTCs，即折射率在时间上迅速上升和下降的材料，相当于光子晶体的时间性，其中折射率在空间上周期性地振荡，导致例如贵重矿物和昆虫翅膀的虹彩。
只有当折射率能够随着相关频率的电磁波的单一周期而上升和下降时，PTC才是稳定的，因此，毫不奇怪，迄今为止，PTC是在电磁波谱的最低频率端被观察到的：无线电波。
在这项新的研究中，以色列海法以色列理工学院的主要作者Mordechai Segev与美国印第安纳州普渡大学的合作者Vladimir Shalaev和Alexndra Boltasseva以及他们的团队，通过透明的导电氧化物材料发送波长为800纳米的极短（5-6飞秒）的激光脉冲。
这引起了折射率的快速变化，使用波长稍长（近红外）的探测激光束进行了探索。当材料的折射率放宽到正常值时，探针光束迅速红移（即其波长增加），然后蓝移（波长减少）。
这些折射率变化所需的时间微乎其微--不到10飞秒，因此，在形成稳定的PTC所需的单一周期内。
"塞格夫说："在晶体中被激发到高能量的电子通常需要十倍以上的时间来放松到它们的基态，许多研究人员认为我们在这里观察到的超快放松是不可能的。"我们还不了解它到底是如何发生的。"
共同作者Shalaev进一步表示，在光域中维持PTC的能力，正如这里所展示的那样，将 "开启光科学的新篇章，实现真正的颠覆性应用"。然而，我们对这些可能的应用所知甚少，就像20世纪60年代的物理学家对激光的可能应用所知一样。
参考资料
Eran Lustig et al, Time-refraction optics with single cycle modulation, Nanophotonics (2023). DOI: 10.1515/nanoph-2023-0126
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