新型時間晶體可以改善激光器并實現6G無線通信

XUCHEN WANG/AALTO UNIVERSITY

研究人員開發了一種制造光子時間晶體的方法，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，有可能產生更好的激光器和下一代無線通信。

正常晶體是由許多原子在空間中組織成規則圖案的結構。然而，2012年，諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek構想了時間晶體，在時間晶體中，許多粒子被排列成一系列規則的運動模式，在時間而不是空間中重復。研究人員于2017年成功制造出第一顆時間晶體。

最近，科學家們還開發了光子時間晶體，其中的光學財產隨時間有規律地變化。從理論上講，光子時間晶體可能會帶來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間同步的模式排列，這一事實可能會導致相長干涉，這種干涉可以用來放大光。

迄今為止，大多數關于光子時間晶體的研究都是理論上的。德國卡爾斯魯厄理工學院的電氣工程師、該研究的主要作者Xuchen Wang表示，在這些研究中，光子時間晶體通常被認為是“類似于普通晶體”的體三維結構。因此，直到現在，所有的光子時間晶體都是三維的。

然而，創建3D光子時間晶體已經被證明是非常困難的，并且到目前為止，用這些結構進行的實驗還沒有超過沒有實際應用的玩具模型系統。較低的頻率，如微波，需要非常復雜的3D電子電路網絡。對于可見頻率，挑戰在于確保結構每個部分的光學特性隨時間均勻變化。

現在，研究人員通過制造一種結構為二維的光子時間晶體來簡化這個問題。“我們只需要創造一個表面，而不是大塊材料，”Wang說。

在這項新的研究中，Wang和他的同事對被稱為元表面的人工二維結構進行了實驗。這些超結構和類似的超材料被設計成具有自然界中通常沒有的特征，例如以意想不到的方式彎曲光的能力。

Wang說：“超材料是一種3D人造材料，具有許多有趣的特性，但由于價格昂貴，重量大，高損耗等問題限制了它們的用途。為了解決這些問題，科學家們創造了2D版本的超材料，稱為超表面，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工程。”

元結構是由具有重復圖案的結構組成的，其尺度小于它們設計用來操縱的光的波長。在這項新的研究中，研究人員對設計用于控制微波的超表面進行了實驗。

“我們團隊在設計人工2D材料方面擁有豐富的專業知識，”Wang說，“因此，為什么不研究并制造一種二維光子時間晶體呢？”

科學家們發現，正如理論預測的那樣，這些新結構可以放大照射在它們身上的微波。Wang說：“我們的研究表明，即使是2D單層光子時間晶體也能表現出與其體積3D對應物相似的物理特性，這是一個非常令人驚訝和激動的發現。” 此外，二維光子時間晶體不僅能放大在自由空間中照射在其上的電磁波，還能放大沿其表面傳播的波。

Wang和他的同事說，二維光子時間晶體具有一系列潛在應用。通過放大電磁波，它們可以使無線發射器和接收器更強大或更高效。Wang 指出，在表面涂上二維光子時間晶體也有助于解決信號衰減問題，這是無線傳輸中的一個重要問題。光子時間晶體還可以通過消除通常用于激光腔的體鏡來簡化激光器設計。

另一個應用來自二維光子時間晶體的發現，它不僅放大在自由空間中撞擊它們的電磁波，還放大沿著表面傳播的波。表面波用于集成電路中電子元件之間的通信當表面波傳播時，它會遭受材料損耗，并且信號強度會降低。研究人員說，將二維光子時間晶體集成到系統中，可以放大表面波，提高通信效率。

研究人員表示，未來的研究可以尋求開發其他波長的二維光子時間晶體，如可見光。這項新的研究也可能有助于為光子時空晶體鋪平道路，光子時空晶體的光學特性在空間和時間上都有規律地變化。

Wang指出：“我們相信在二維光子時間晶體中還有許多獨特而有趣的特性有待發現，我們很高興能夠通過進一步的研究來探索它們。”

4月5日，科學家們在《科學進展》雜志上在線詳細介紹了他們的發現。