研究人員開(kāi)發(fā)了一種制造光子時(shí)間晶體的方法，并表明這些奇異的人造材料可以放大照射在它們身上的光，有可能產(chǎn)生更好的激光器和下一代無(wú)線通信。

正常晶體是由許多原子在空間中組織成規(guī)則圖案的結(jié)構(gòu)。然而，2012年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Frank Wilczek構(gòu)想了時(shí)間晶體，在時(shí)間晶體中，許多粒子被排列成一系列規(guī)則的運(yùn)動(dòng)模式，在時(shí)間而不是空間中重復(fù)。研究人員于2017年成功制造出第一顆時(shí)間晶體。

最近，科學(xué)家們還開(kāi)發(fā)了光子時(shí)間晶體，其中的光學(xué)財(cái)產(chǎn)隨時(shí)間有規(guī)律地變化。從理論上講，光子時(shí)間晶體可能會(huì)帶來(lái)新的不尋常的光控制方法。例如，這種晶體中的光子以一種隨時(shí)間同步的模式排列，這一事實(shí)可能會(huì)導(dǎo)致相長(zhǎng)干涉，這種干涉可以用來(lái)放大光。

迄今為止，大多數(shù)關(guān)于光子時(shí)間晶體的研究都是理論上的。德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的電氣工程師、該研究的主要作者Xuchen Wang表示，在這些研究中，光子時(shí)間晶體通常被認(rèn)為是“類(lèi)似于普通晶體”的體三維結(jié)構(gòu)。因此，直到現(xiàn)在，所有的光子時(shí)間晶體都是三維的。

然而，創(chuàng)建3D光子時(shí)間晶體已經(jīng)被證明是非常困難的，并且到目前為止，用這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有超過(guò)沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的玩具模型系統(tǒng)。較低的頻率，如微波，需要非常復(fù)雜的3D電子電路網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于可見(jiàn)頻率，挑戰(zhàn)在于確保結(jié)構(gòu)每個(gè)部分的光學(xué)特性隨時(shí)間均勻變化。

現(xiàn)在，研究人員通過(guò)制造一種結(jié)構(gòu)為二維的光子時(shí)間晶體來(lái)簡(jiǎn)化這個(gè)問(wèn)題。“我們只需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)表面，而不是大塊材料，”Wang說(shuō)。

在這項(xiàng)新的研究中，Wang和他的同事對(duì)被稱(chēng)為元表面的人工二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這些超結(jié)構(gòu)和類(lèi)似的超材料被設(shè)計(jì)成具有自然界中通常沒(méi)有的特征，例如以意想不到的方式彎曲光的能力。

Wang說(shuō)：“超材料是一種3D人造材料，具有許多有趣的特性，但由于價(jià)格昂貴，重量大，高損耗等問(wèn)題限制了它們的用途。為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們創(chuàng)造了2D版本的超材料，稱(chēng)為超表面，其功能與3D超材料相似，但更小、更輕、更便宜、損耗更少。因此，超表面如今被廣泛用于微波和光學(xué)工程。”

元結(jié)構(gòu)是由具有重復(fù)圖案的結(jié)構(gòu)組成的，其尺度小于它們?cè)O(shè)計(jì)用來(lái)操縱的光的波長(zhǎng)。在這項(xiàng)新的研究中，研究人員對(duì)設(shè)計(jì)用于控制微波的超表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

“我們團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)人工2D材料方面擁有豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，”Wang說(shuō)，“因此，為什么不研究并制造一種二維光子時(shí)間晶體呢？”

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，正如理論預(yù)測(cè)的那樣，這些新結(jié)構(gòu)可以放大照射在它們身上的微波。Wang說(shuō)：“我們的研究表明，即使是2D單層光子時(shí)間晶體也能表現(xiàn)出與其體積3D對(duì)應(yīng)物相似的物理特性，這是一個(gè)非常令人驚訝和激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)。” 此外，二維光子時(shí)間晶體不僅能放大在自由空間中照射在其上的電磁波，還能放大沿其表面?zhèn)鞑サ牟ā?/p>

Wang和他的同事說(shuō)，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ā１砻娌ㄓ糜?a target="_blank">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。研究人員說(shuō)，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。

研究人員表示，未來(lái)的研究可以尋求開(kāi)發(fā)其他波長(zhǎng)的二維光子時(shí)間晶體，如可見(jiàn)光。這項(xiàng)新的研究也可能有助于為光子時(shí)空晶體鋪平道路，光子時(shí)空晶體的光學(xué)特性在空間和時(shí)間上都有規(guī)律地變化。

Wang指出：“我們相信在二維光子時(shí)間晶體中還有許多獨(dú)特而有趣的特性有待發(fā)現(xiàn)，我們很高興能夠通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)探索它們。”

4月5日，科學(xué)家們?cè)凇犊茖W(xué)進(jìn)展》雜志上在線詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

編輯：黃飛

?