Metamateriały: Kryształ czasu daje impuls światłu

Fotoniczne kryształy czasu, których właściwości zmieniają się okresowo, obiecują wielkie postępy w inżynierii mikrofalowej, optyce i fotonice. Naukowcy z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) oraz partnerzy z Aalto University i Stanford University zaprezentowali przełomowy fotoniczny kryształ czasu 2D i zademonstrowali ważne zastosowania. Ich podejście upraszcza realizację fotonicznych kryształów czasu i może poprawić wydajność przyszłych systemów komunikacyjnych. Wyniki tego badania opisano w Science Advances. (DOI: 10.1126/sciadv.adg7541)

W szerokim znaczeniu kryształy czasu należą do tzw. metamateriałów, czyli syntetycznie wytwarzanych substancji wykazujących właściwości nie występujące w przyrodzie. Fascynująca koncepcja kryształów czasu została po raz pierwszy przedstawiona przez laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Franka Wilczka w 2012 roku. W przeciwieństwie do zwykłych kryształów, kryształy czasu nie zmieniają swoich właściwości w przestrzeni, ale cyklicznie w czasie. Naukowcy zajmujący się fotoniką pracują obecnie nad pierwszymi optycznymi wersjami tego materiału, zwanymi fotonicznymi kryształami czasu. Kryształy te wykazały ogromny potencjał we wzmacnianiu sygnałów komunikacji radiowej i systemów laserowych nowej generacji, ponieważ fale elektromagnetyczne przemieszczające się w optycznych kryształach czasu można skutecznie wzmacniać.

Zmniejszenie wymiarów ułatwia realizację

Jednak badania nad fotonicznymi kryształami czasu koncentrowały się dotychczas na materiałach masowych, czyli strukturach trójwymiarowych. Implementacja masywnych fotonicznych kryształów czasu okazała się dość trudna, a eksperymenty nie wyszły jeszcze poza systemy modelowe bez praktycznych zastosowań. Naukowcy z KIT’s Institute of Nanotechnology (INT) i KIT’s Institute for Theoretical Solid-State Physics (TFP) wraz z partnerami z Aalto University w Finlandii i Stanford University w USA opracowali nowe podejście i zaprezentowali wyniki w czasopiśmie Science Postępy: zespołowi udało się stworzyć pierwszy w historii dwuwymiarowy fotoniczny kryształ czasu. To właściwie bardzo cienka warstwa tego metamateriału. wyjaśnia dr Xuchen Wang, główny autor badania, który obecnie prowadzi badania w KIT ​​w grupie kierowanej przez profesora Carstena Rokstulla. Zespół zaprojektował i wyprodukował dwuwymiarową strukturę elektromagnetyczną z okresowo stapianymi przestrajalnymi komponentami, aby dynamicznie odtwarzać jej właściwości elektromagnetyczne w czasie. Korzystając z dwuwymiarowej struktury, eksperymentalnie zweryfikowali teoretyczne przewidywania dotyczące jej zachowania. „Dzięki temu odkryciu po raz pierwszy zaobserwowaliśmy silne wzmocnienie fal w fotonicznych kryształach czasu” – mówi Wang.

Dwuwymiarowe optyczne kryształy czasu dla wydajniejszej komunikacji

To niesamowite odkrycie może doprowadzić do znacznego rozwoju różnych technologii, takich jak komunikacja bezprzewodowa, układy scalone i lasery. Dzięki wzmocnieniu fal elektromagnetycznych możliwe będzie zbudowanie w przyszłości mocniejszych i wydajniejszych bezprzewodowych nadajników-odbiorników. Co więcej, powlekanie powierzchni fotonicznymi kryształami czasu 2D może również zmniejszyć degradację sygnału w transmisji bezprzewodowej, co jest wąskim gardłem w transmisji bezprzewodowej. Dwuwymiarowe fotoniczne kryształy czasu mogą również uprościć projektowanie laserów, unikając potrzeby stosowania złożonych zwierciadeł masowych, zwykle stosowanych we wnękach laserowych.

Inne ważne zastosowanie wynika z odkrycia, że ​​dwuwymiarowe fotoniczne kryształy czasu wzmacniają nie tylko fale elektromagnetyczne odbierane w wolnej przestrzeni, ale także fale przemieszczające się po powierzchni. Fale powierzchniowe są wykorzystywane do komunikacji między elementami elektronicznymi w układach scalonych. „Kiedy fala powierzchniowa się rozchodzi, ponosi straty fizyczne, a siła sygnału maleje. Dzięki dwuwymiarowym fotonicznym kryształom czasu pokrywającym media propagacyjne, fala powierzchniowa może zostać wzmocniona, poprawiając wydajność komunikacji” – mówi Wang.

oryginalny wpis

Xuchen Wang, Mohammad Sajjad Mirmoosa, Viktar S. Asadchy, Carsten Rockstuhl, Shanhui Fan, Sergei A. Science Advances, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adg7541

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7541

Więcej w Centrum Materiałowym KIT

Będąc „Uniwersytetem Badawczym Stowarzyszenia Helmholtza”, KIT tworzy i przekazuje wiedzę dla społeczeństwa i środowiska. Celem jest wniesienie znaczącego wkładu w globalne wyzwania w dziedzinie energii, mobilności i informacji. W tym celu około 9800 pracowników współpracuje w szerokim zakresie dyscyplin z zakresu nauk przyrodniczych, inżynierskich, ekonomicznych, humanistycznych i społecznych. KIT przygotowuje swoich 22 300 studentów do odpowiedzialnej kariery w społeczeństwie, przemyśle i nauce, oferując programy studiów oparte na badaniach. Wysiłki innowacyjne KIT łączą ważne odkrycia naukowe z ich zastosowaniem z korzyścią dla społeczeństwa, dobrobytu gospodarczego i zachowania naturalnych podstaw naszego życia. KIT jest jedną z wyróżniających się niemieckich uczelni.