Forscher haben einen Weg entwickelt, um photonische Zeitkristalle herzustellen, und sie haben gezeigt, dass diese bizarren, künstlichen Materialien das Licht verstärken, das auf sie scheint. Diese Ergebnisse, beschrieben in einem Artikel in Wissenschaftliche Fortschrittekönnte zu effizienterer und robusterer drahtloser Kommunikation und deutlich verbesserten Lasern führen.
Zeitkristalle wurden erstmals 2012 von Nobelpreisträger Frank Wilczek konzipiert. Mundane, vertraute Kristalle haben ein strukturelles Muster, das sich im Raum wiederholt, aber in einem Zeitkristall wiederholt sich das Muster stattdessen in der Zeit. Während einige Physiker anfangs skeptisch waren, dass Zeitkristalle existieren könnten, gelang es kürzlichen Experimenten, sie herzustellen. Letztes Jahr schufen Forscher des Low Temperature Laboratory der Aalto University gepaarte Zeitkristalle, die für Quantengeräte nützlich sein könnten.
Jetzt hat ein anderes Team photonische Zeitkristalle hergestellt, die zeitbasierte Versionen optischer Materialien sind. Die Forscher schufen photonische Zeitkristalle, die bei Mikrowellenfrequenzen arbeiten, und sie zeigten, dass die Kristalle elektromagnetische Wellen verstärken können. Diese Fähigkeit hat potenzielle Anwendungen in verschiedenen Technologien, darunter drahtlose Kommunikation, integrierte Schaltungen und Laser.
Bisher konzentrierte sich die Forschung zu photonischen Zeitkristallen auf Bulkmaterialien – also dreidimensionale Strukturen. Dies hat sich als enorm herausfordernd erwiesen, und die Experimente sind nicht über Modellsysteme ohne praktische Anwendungen hinausgekommen. Daher versuchte das Team, dem Forscher der Aalto University, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Stanford University angehörten, einen neuen Ansatz: den Bau eines zweidimensionalen photonischen Zeitkristalls, der als Metaoberfläche bekannt ist.
„Wir haben festgestellt, dass die Reduzierung der Dimensionalität von einer 3D- auf eine 2D-Struktur die Implementierung erheblich vereinfacht, wodurch es möglich wurde, photonische Zeitkristalle in der Realität zu realisieren“, sagt Xuchen Wang, der Hauptautor der Studie, der Doktorand bei Aalto und war ist derzeit am KIT.
Der neue Ansatz ermöglichte es dem Team, einen photonischen Zeitkristall herzustellen und die theoretischen Vorhersagen über sein Verhalten experimentell zu überprüfen. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass photonische Zeitkristalle einfallendes Licht mit hoher Verstärkung verstärken können“, sagt Wang.
„In einem photonischen Zeitkristall sind die Photonen in einem Muster angeordnet, das sich über die Zeit wiederholt. Das bedeutet, dass die Photonen im Kristall synchronisiert und kohärent sind, was zu einer konstruktiven Interferenz und Verstärkung des Lichts führen kann“, erklärt Wang. Durch die periodische Anordnung der Photonen können sie auch auf eine Weise interagieren, die die Verstärkung verstärkt.
Zweidimensionale photonische Zeitkristalle haben eine Reihe potenzieller Anwendungen. Durch die Verstärkung elektromagnetischer Wellen könnten sie drahtlose Sender und Empfänger leistungsfähiger oder effizienter machen. Wang weist darauf hin, dass die Beschichtung von Oberflächen mit photonischen 2D-Zeitkristallen auch beim Signalabfall helfen könnte, was ein erhebliches Problem bei der drahtlosen Übertragung darstellt. Photonische Zeitkristalle könnten auch Laserdesigns vereinfachen, indem sie die Notwendigkeit für Bulk-Spiegel beseitigen, die typischerweise in Laserkavitäten verwendet werden.
Eine weitere Anwendung ergibt sich aus der Erkenntnis, dass photonische 2D-Zeitkristalle nicht nur elektromagnetische Wellen verstärken, die sie im freien Raum treffen, sondern auch Wellen, die entlang der Oberfläche laufen. Oberflächenwellen werden zur Kommunikation zwischen elektronischen Komponenten in integrierten Schaltkreisen verwendet. „Wenn sich eine Oberflächenwelle ausbreitet, leidet sie unter Materialverlusten und die Signalstärke wird reduziert. Mit in das System integrierten 2D-Photonenzeitkristallen kann die Oberflächenwelle verstärkt und die Kommunikationseffizienz verbessert werden“, sagt Wang.
Mehr Informationen:
Xuchen Wang et al, Metaoberflächenbasierte Realisierung photonischer Zeitkristalle, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg7541. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7541