Физики создают фотонный кристалл времени, усиливающий свет

Команда исследователей разработала двумерный фотонный временной кристалл, который, по их мнению, может использоваться в различных технологиях, таких как передатчики и лазеры.

Несмотря на название, фотонные временные кристаллы не имеют ничего общего с обычными временными кристаллами — фазой вещества, предложенной в 2012 году и впервые зафиксированной спустя несколько лет. Обоим кристаллам свойственны структурные шаблоны во времени, однако временные кристаллы являются квантовыми материалами — их атомы находятся в квантовых состояниях, в то время как фотонные временные кристаллы являются искусственными материалами, не встречающимися в природе, и не обязательно находятся в квантовых состояниях.

Ученые испытывали трудности при создании и манипулировании 3D-фотонными временными кристаллами, поэтому недавно команда попробовала сделать что-то другое: уменьшить толщину материала до 2 мм.

В результате их кристалл стал усиливать свет на микроволновых частотах.

Модулируя или изменяя электромагнитное свойство метаповерхности со временем, мы смогли создать 2D-фотонный временной кристалл. Уменьшение фотонных кристаллов с 3D до 2D делает их тоньше, легче и проще в производстве, подобно тому как метаповерхности улучшили метаматериалы.

Сючен Ванг, физик из Карлсруэского института технологий и ведущий автор исследования

Фотонные кристаллы — это оптические структуры, способность которых к преломлению света периодически меняется. В лабораторных условиях электромагнитные свойства метаматериалов могут быть точно настроены для создания фотонных кристаллов, которые искусственно усиливают световые волны.

Фотоны в таких кристаллах обладают повторяющимся паттерном, делая их когерентными.

В [фотонных временных кристаллах] энергия не сохраняется; следовательно, состояния, находящиеся в перерыве импульса, могут иметь экспоненциально возрастающие амплитуды. Это оказывает огромное влияние на задействованную физику.

Мордехай Сегев, физик из Технионского института технологий Израиля

Практическое применение этого открытия касается большинства устройств, основанных на фотонике. Например, беспроводные сигналы могут быть улучшены путем покрытия устройств 2D-фотонными временными кристаллами, повышая мощность сигналов.

Хотя созданный командой кристалл усиливает только микроволновые частоты, Ванг сообщил в разговоре с Gizmodo, что небольшое изменение в дизайне может позволить кристаллу работать на миллиметровых частотах, таких как те, что используются в 5G-связи.

Время покажет, насколько технология масштабируема и как она будет работать вне лаборатории.