Исследователи из Университета Аалто в Финляндии создали фотонный кристалл нового типа, способный усиливать электромагнитные волны. Эта возможность имеет потенциальное применение в различных технологиях, включая беспроводную связь, интегральные схемы и лазеры.
Кристалл времени — это структура, атомы которой периодически располагаются не только в пространстве (как классический кристалл), но и во времени. Конкретно это означает, что частицы, составляющие структуру, могут периодически двигаться и возвращаться в исходное состояние. Концепция была впервые предложена в 2012 году американским физиком Фрэнком Вильчеком.
В качестве дополнительной степени свободы время значительно расширяет потенциал искусственных электромагнитных материалов. Таким образом, несколько лет спустя были теоретизированы первые временные фотонные кристаллы, искусственные материалы, электромагнитные свойства которых (такие, как диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость) периодически и быстро модулируются во времени, оставаясь однородными в пространстве. Исследователям удалось создать такие кристаллы, работающие на микроволновых частотах, и показать, что они могут усиливать свет.
Обычные фотонные кристаллы представляют собой периодические структуры из диэлектрических, полупроводниковых или металл-диэлектрических материалов, в которых распространение электромагнитных волн периодически изменяется; показатель преломления является "пространственно периодическим". Во временных фотонных кристаллах показатель преломления периодически модулируется во времени, на сверхбыстрых временных шкалах. Теоретически, когда излучатель помещается в такой временной кристалл, эти кристаллы должны усиливать излучение.
Будучи настоящими временными аналогами классических фотонных кристаллов, они могут имитировать их поведение. По аналогии с "частотными зазорами" последних, модуляция временных фотонных кристаллов приводит к "фотонным импульсным зазорам", в которых электромагнитная волна растет экспоненциально со временем.
До сих пор исследования временных фотонных кристаллов были сосредоточены на сыпучих материалах (порошках, рудах или любых других твердых и жидких материалах), которые представляют собой трехмерные структуры. Однако их синтез и экспериментальное наблюдение их физики очень затруднены из-за жесткого требования равномерной модуляции свойств материала в объемных образцах.
Поэтому группа исследователей из Университета Аалто, Технологического института Карлсруэ (KIT) и Стэнфордского университета попробовала новый подход: они распространили концепцию временных фотонных кристаллов на двумерные искусственные структуры, называемые метаповерхностями.
В этом случае кристаллы простираются в одном временном измерении и только в двух пространственных (вдоль которых метаповерхность однородна). "Мы обнаружили, что уменьшение размерности с трехмерной структуры до двухмерной значительно упростило реализацию, что позволило реализовать фотонные временные кристаллы в реальности", — объясняет Сючен Ванг, исследователь из KIT и первый автор исследования, описывающего эксперимент.
Команда смогла впервые экспериментально продемонстрировать, что фотонные кристаллы времени могут усиливать падающий свет с высоким коэффициентом усиления. Это явление усиления обусловлено расположением фотонов в кристалле. Они следуют повторяющейся во времени схеме, что означает, что они синхронизированы и когерентны, что может привести к конструктивной интерференции и, таким образом, к усилению света. "Когда частота модуляции близка к удвоенной частоте падающего излучения, усиление максимально, поскольку волна находится в центре зазора", — утверждают исследователи в своей статье.
Поэтому двумерные фотонные кристаллы имеют множество потенциальных применений. Усиливая электромагнитные волны, они могут сделать беспроводные передатчики и приемники более мощными или эффективными. Поверхностное покрытие из таких кристаллов также может помочь уменьшить затухание сигнала, что на сегодняшний день является одной из основных проблем беспроводной передачи данных.
Исследователи также отмечают, что двумерные временные фотонные кристаллы могут быть использованы для упрощения конструкции лазеров. В настоящее время лазерные излучатели требуют использования нескольких зеркал, состоящих из стопки слоев с различными показателями преломления, роль которых заключается в направлении луча к усиливающей среде.
Наконец, команда обнаружила, что эти кристаллы усиливают не только электромагнитные волны, которые попадают на них из окружающего пространства, но и поверхностные волны, которые распространяются вдоль границы раздела между кристаллами и окружающей средой. Поверхностные волны используются для связи между электронными компонентами в интегральных схемах. Однако, распространяясь, они несут материальные потери, которые снижают уровень сигнала. Интегрируя в систему двумерные фотонные кристаллы с временной разверткой, можно усилить поверхностную волну и тем самым повысить эффективность связи.