增強(qiáng)光波的二維光子時間晶體創(chuàng)建

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二維光子時間晶體增強(qiáng)光波的示意圖。圖片來源：芬蘭阿爾托大學(xué)

芬蘭阿爾托大學(xué)、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院和美國斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種創(chuàng)造光子時間晶體的方法，并表明這些奇異的人造材料可放大照射在它們身上的光。新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在5日《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，或引領(lǐng)更高效、更強(qiáng)大的無線通信，并顯著改進(jìn)激光器。

時間晶體最早是由諾貝爾獎得主弗蘭克·威爾切克于2012年提出的。人們熟悉的普通水晶具有在空間中重復(fù)的結(jié)構(gòu)模式，但在時間晶體中，這種模式卻在時間中重復(fù)。去年，阿爾托大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)創(chuàng)造了成對的時間晶體。

此次，新研究團(tuán)隊(duì)制造了光子時間晶體，這是基于時間的光學(xué)材料版本。研究人員創(chuàng)造了在微波頻率下工作的光子時間晶體，他們證明這種晶體可放大電磁波。這種能力在各種技術(shù)中都有潛在的應(yīng)用，包括無線通信、集成電路和激光。

到目前為止，對光子時間晶體的研究主要集中在塊狀材料上，也就是三維結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)此次嘗試了一種新方法，構(gòu)建一種被稱為超構(gòu)表面的二維光子時間晶體。這種新的方法使研究人員能夠制造出光子時間晶體，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了關(guān)于其行為的理論預(yù)測。

研究人員表示，這是第一次證明光子時間晶體可高增益地放大入射光。在光子時間晶體中，光子以隨時間重復(fù)的模式排列。這意味著晶體中的光子是同步且相干的，這可能會導(dǎo)致光的相長干涉和放大。光子的周期性排列意味著它們也能以促進(jìn)放大的方式相互作用。

二維光子時間晶體具有廣泛的潛在應(yīng)用前景。通過放大電磁波，它們可以使無線發(fā)射器和接收器更強(qiáng)大或更高效。在表面涂覆2D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。

光子時間晶體還可通過消除激光腔中通常使用的大塊反射鏡來簡化激光器設(shè)計(jì)。此外，將二維光子時間晶體集成到電路系統(tǒng)中，可放大表面波，提高通信效率。

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