国外团队打造出新型二维光子时间晶体，可改进激光器和无线通信

2023-04-27 11:37

近期，国外一支研究团队宣布开发出一种制造光子时间晶体的方法，并证明这种基于时间的人造光学材料可以放大照射在它们上面的光。最终，这些光子晶体将有望带来更高效、更强大的无线通信，并显著改进激光器。

日前，发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的一篇论文描述了这些发现。相关成果来自来自阿尔托大学、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和斯坦福大学的研究人员。

（图片来源：Aalto University）

早在2012年，诺贝尔奖得主Frank Wilczek就曾首次提出了时间晶体的概念：普通的、熟悉的晶体具有在空间中重复的结构模式，而在时间晶体中，这种模式可以在时间上重复。去年，阿尔托大学低温实验室的研究人员就成功创造出了成对的时间晶体，它们能够用于量子器件。

如今，另一个团队的研究人员开发出了在微波频率下工作的光子时间晶体，并且证明这种晶体可以放大电磁波——这种能力在各种技术中均存在潜在的应用，包括无线通信、集成电路和激光。

迄今，科研界对光子时间晶体的研究主要集中在块状材料上（即三维结构），这已经被证明是非常具有挑战性的，而且相关实验还没开发出可用于实际应用的模型系统。

上述研发出新型光子时间晶体的团队则尝试了一种新的方法：建立一个二维光子时间晶体，被称为超表面。

通过将三维结构“降维”至二维结构，他们使得实际条件下实现光子时间晶体的制造变得更简单轻松。研究小组表示，他们已经能够制造出光子时间晶体，并通过实验验证了有关其行为的理论预测：“我们首次证明了光子时间晶体可以高增益地放大入射光。”

在光子时间晶体中，光子以一种随时间重复的模式排列。这意味着晶体中的光子是同步和相干的，这可以导致光的干涉和放大。光子的周期性排列，意味着它们也可以以增强放大的方式相互作用。

二维光子时间晶体具有广泛的应用前景：

首先，通过放大电磁波，它们可以使无线发射器和接收器变得更强大或更高效。研究人员指出，在表面涂上二维光子时间晶体也可以帮助信号衰减，这是无线传输中的一个重要问题。光子时间晶体还可以通过消除通常用于激光腔的大块反射镜来简化激光器的设计。

另外，二维光子时间晶体不仅可以放大在自由空间中撞击它们的电磁波，还可以放大沿表面传播的电磁波。表面波用于集成电路中电子元件之间的通信，而将二维光子时间晶体集成到系统中，就可以放大表面波，从而提高通信效率。

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