一种新型光子时间晶体使光得到增强

图：二维光子时间晶体用于增强光波。来源：Xuchen Wang / Aalto University

       研究人员已经开发出一种制造光子时间晶体的方法，他们已经证明这些奇怪的人造材料可以放大照射在它们身上的光。相关研究发表在《Science Advances》上，这些发现可能会带来更高效、更稳健的无线通信，并显著改善激光器性能。

       时间晶体最早是由诺贝尔奖获得者 Frank Wilczek于2012年构思的。Mundane，我们熟悉的晶体有一种在空间中重复的结构模式，但在时间晶体中，这种模式反而在时间中重复。虽然一些物理学家最初对时间晶体的存在持怀疑态度，但最近的实验已经成功地创造了时间晶体。去年，Aalto大学低温实验室的研究人员创造了成对的时间晶体，可能对量子器件有用。

       现在，另一个团队制作了光子时间晶体，这是光学材料的基于时间的版本。研究人员创造了在微波频率下工作的光子时间晶体，他们表明这些晶体可以放大电磁波。这种能力在各种技术中都有潜在的应用，包括无线通信、集成电路和激光器。

       到目前为止，对光子时间晶体的研究主要集中在体材料，即三维结构上。事实证明，这极具挑战性，而且实验还没有通过没有实际应用的模型系统。因此，包括Aalto University, the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and Stanford University的研究人员在内的团队尝试了一种新方法：构建一种二维光子时间晶体，称为超表面。

       该研究的主要作者Xuchen Wang说：“我们发现，将维度从3D结构降低到2D结构，使实现变得更加容易，这使得在现实中实现光子时间晶体成为可能。”Xuchen Wang曾是阿尔托大学的博士生，目前在KIT工作。

       新方法使该团队能够制造光子时间晶体，并通过实验验证其行为的理论预测。“我们首次证明了光子时间晶体可以以高增益放大入射光，”Wang说。

       “在光子时间晶体中，光子以一种随时间重复的模式排列。这意味着晶体中的光子是同步和相干的，这可能导致光的相长干涉和放大，”Wang解释道。光子的周期性排列意味着它们也可以以增强放大的方式相互作用。

       二维光子时间晶体具有一系列潜在的应用。通过放大电磁波，它们可以使无线发射机和接收机更强大或更高效。Wang指出，用二维光子时间晶体覆盖表面也有助于信号衰减，这是无线传输中的一个重大问题。光子时间晶体还可以通过消除通常用于激光腔的体反射镜的需要来简化激光设计。

       另一个应用来自于2D光子时间晶体的发现，它不仅放大在自由空间中撞击它们的电磁波，还放大沿着表面传播的波。表面波用于集成电路中电子元件之间的通信。“当表面波传播时，它会遭受材料损失，信号强度会降低。通过将二维光子时间晶体集成到系统中，表面波可以被放大，通信效率也会提高，”Wang说。

1. Xuchen Wang et al, metasurface-based Realization of Photonic Time Crystals, Science Advances (2023).