Фотонні кристали часу підсилюють світло для покращеного зв’язку та лазерів

Дослідники розробили спосіб створення фотонних кристалів часу та показали, що ці химерні штучні матеріали підсилюють світло, яке на них світить. Ці відкриття, описані в статті, опублікованій в журналі Science Advances, можуть призвести до більш ефективного та надійного бездротового зв’язку та значно вдосконалених лазерів. Кристали часу були вперше задумані лауреатом Нобелівської премії Френком Вільчеком у 2012 році. Звичайні, знайомі кристали мають структурний візерунок, який повторюється в просторі, але в кристалі часу шаблон повторюється в часі. Хоча спочатку деякі фізики скептично ставилися до того, що кристали часу можуть існувати, останніми експериментами вдалося їх створити. Минулого року дослідники з Лабораторії низьких температур університету Аалто створили спарені кристали часу, які можуть бути корисними для квантових пристроїв.

Тепер інша команда створила фотонні кристали часу, які є часовими версіями оптичних матеріалів. Дослідники створили фотонні часові кристали, які працюють на мікрохвильових частотах, і показали, що кристали можуть підсилювати електромагнітні хвилі. Ця здатність має потенційне застосування в різних технологіях, включаючи бездротовий зв’язок, інтегральні схеми та лазери.

Поки що дослідження фотонних кристалів часу були зосереджені на об’ємних матеріалах, тобто тривимірних структурах. Це виявилося надзвичайно складним завданням, і експерименти не оминули моделі систем без практичного застосування. Тож команда, до якої входили дослідники з Університету Аалто, Технологічного інституту Карлсруе (KIT) і Стенфордського університету, спробувала новий підхід: побудувала двовимірний фотонний кристал часу, відомий як метаповерхня.

«Ми виявили, що зменшення розмірності з 3D на 2D структуру значно спростило реалізацію, що дало змогу реалізувати фотонні кристали часу в реальності», — говорить Сючен Ван, провідний автор дослідження, який був докторантом у Аалто та зараз знаходиться в КІТ.

Новий підхід дозволив команді виготовити фотонний часовий кристал і експериментально перевірити теоретичні прогнози щодо його поведінки. «Ми вперше продемонстрували, що фотонні кристали часу можуть посилювати падаюче світло з високим коефіцієнтом підсилення», — говорить Ван.

«У фотонному часовому кристалі фотони розташовані за шаблоном, який повторюється з часом. Це означає, що фотони в кристалі синхронізовані та когерентні, що може призвести до конструктивної інтерференції та посилення світла», — пояснює Ван. Періодичне розташування фотонів означає, що вони також можуть взаємодіяти таким чином, що посилює посилення.

Двовимірні фотонні кристали часу мають ряд потенційних застосувань. Посилюючи електромагнітні хвилі, вони можуть зробити бездротові передавачі та приймачі потужнішими та ефективнішими. Ван зазначає, що покриття поверхонь двовимірними фотонними кристалами часу також може допомогти зменшити загасання сигналу, що є значною проблемою при бездротовій передачі. Фотонні кристали часу можуть також спростити конструкції лазерів, усунувши потребу в об’ємних дзеркалах, які зазвичай використовуються в лазерних порожнинах.

Ще одне застосування випливає з висновку про те, що двовимірні фотонні кристали часу не лише посилюють електромагнітні хвилі, які вражають їх у вільному просторі, але й хвилі, що поширюються вздовж поверхні. Поверхневі хвилі використовуються для зв’язку між електронними компонентами в інтегральних схемах. «Коли поверхнева хвиля поширюється, вона зазнає матеріальних втрат, і потужність сигналу знижується. Завдяки двовимірним фотонним кристалам часу, інтегрованим у систему, можна посилити поверхневу хвилю та підвищити ефективність зв’язку», — каже Ван.