Forscher haben eine Methode zur Herstellung photonischer Zeitkristalle entdeckt und gezeigt, dass diese seltsamen, künstlichen Substanzen das auf sie scheinende Licht verstärken können. Diese Entdeckungen, die in einem in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben werden, könnten zu weitaus besseren Lasern und einer effektiveren und zuverlässigeren drahtlosen Kommunikation führen.
Der Nobelpreisträger Frank Wilczek schlug 2012 erstmals Zeitkristalle vor. In gewöhnlichen, alltäglichen Kristallen wiederholt sich ein strukturelles Muster im Raum, aber in einem Zeitkristall wiederholt sich das strukturelle Muster in der Zeit. Trotz der anfänglichen Skepsis einiger Physiker konnten die Zeitkristalle in jüngsten Tests erfolgreich hergestellt werden. Das Low Temperature Lab der Aalto University produzierte letztes Jahr gepaarte Zeitkristalle, die für Quantengeräte nützlich sein könnten.
Photonische Zeitkristalle, zeitbasierte Iterationen optischer Materialien, wurden nun von einem anderen Team erstellt. Wissenschaftler haben mikrowellenbetriebene photonische Zeitkristalle entwickelt und gezeigt, dass die Kristalle elektromagnetische Wellen verstärken können. Potenzielle Anwendungen für diese Fähigkeit umfassen neben anderen Technologien drahtlose Kommunikation, integrierte Schaltkreise und Laser.
Bisher betrafen die meisten Arbeiten zu photonischen Zeitkristallen Volumenmaterialien oder dreidimensionale Strukturen. Versuche bestanden keine Modellsysteme, die keine reale Anwendbarkeit hatten, weil es sich als zu schwierig erwies. Infolgedessen erforschte die Gruppe, der Wissenschaftler der Stanford University, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Aalto University angehören, eine neue Strategie: die Schaffung einer Metaoberfläche, die ein zweidimensionaler photonischer Zeitkristall ist.
Laut dem Hauptautor der Studie, Xuchen Wang, ehemaliger Doktorand bei Aalto und jetzt Mitarbeiter des KIT, „haben wir festgestellt, dass die Reduzierung der Dimensionalität von der 3D- auf die 2D-Struktur die Implementierung erheblich vereinfacht und es ermöglicht, tatsächlich photonische Zeitkristalle zu realisieren.“
Diese neue Strategie ermöglichte es der Gruppe, einen photonischen Zeitkristall zu erstellen und die Verhaltensvorhersagen der Theorie experimentell zu validieren. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass photonische Zeitkristalle einfallendes Licht mit hoher Verstärkung verstärken können“, sagt Wang.
Photonen sind im photonischen Zeitkristall in einem sich wiederholenden Muster über die Zeit angeordnet. Laut Wang zeigt dies, dass die Photonen im Kristall koordiniert und synchronisiert sind, was zu positiver Interferenz und Lichtverstärkung führen kann. Die periodische Natur der Photonen ermöglicht es ihnen, auf eine Weise zu interagieren, die die Verstärkung verstärkt.
Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung
Es gibt mehrere mögliche Verwendungen für zweidimensionale photonische Zeitkristalle. Sie können die Leistung oder Effektivität von drahtlosen Sendern und Empfängern erhöhen, indem sie elektromagnetische Strahlung verstärken. Wang erklärt, dass die Signalverschlechterung, ein kritisches Problem bei der drahtlosen Übertragung, reduziert werden kann, indem die Oberflächen mit photonischen 2D-Zeitkristallen beschichtet werden.
Photonische Zeitkristalle können auch Laserdesigns vereinfachen, indem sie die Notwendigkeit für gestapelte Spiegel beseitigen, die normalerweise in Laserkavitäten verwendet werden.
Die Entdeckung, dass photonische 2D-Zeitkristalle elektromagnetische Wellen verstärken, die sich auf der Oberfläche ausbreiten, sowie Wellen, die sie im freien Raum treffen, öffnet die Tür zu einer anderen Verwendung. In integrierten Schaltkreisen werden Oberflächenwellen für die Kommunikation elektrischer Komponenten verwendet. Eine Oberflächenwelle erleidet während der Ausbreitung Materialverluste, was die Stärke des Signals verringert. Wang behauptet, dass durch die Integration von photonischen 2D-Zeitkristallen in das System die Oberflächenwelle verstärkt und die Kommunikationseffizienz gesteigert werden kann.
Quelle: nanotechnologyworld – Metaoberflächenbasierte Realisierung photonischer Zeitkristalle
Xuchen Wang, Mohammad Sajjad Mirmoosa, Viktar S. Asadchy, Carsten Rockstuhl, Shanhui Fan, Sergei A. Tretjakow
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7541
📩 08/04/2023 19:32