Fotoniczne kryształy czasoprzestrzeni zwiększają interakcję i wzmocnienie światła, oferując nowe zastosowania w optycznym przetwarzaniu informacji.
Fotoniczne kryształy czasoprzestrzeni to zaawansowane materiały zaprojektowane w celu zwiększenia wydajności i efektywności technologii, takich jak komunikacja bezprzewodowa i lasery. Kryształy te mają unikalną strukturę, która jest okresowo ułożona w trzech wymiarach przestrzennych, a także zmienia się w czasie, umożliwiając precyzyjną kontrolę zachowania światła. Naukowcy z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) we współpracy z Uniwersytetem Aalto, Uniwersytetem Wschodniej Finlandii i Uniwersytetem Inżynierskim w Harbin w Chinach pokazali, w jaki sposób te czterowymiarowe materiały można zastosować w rzeczywistych technologiach. Ich ustalenia zostały opublikowane w Fotonika Przyrody.
Fotoniczne kryształy czasu
Fotoniczne kryształy czasu to materiały o spójnej strukturze w przestrzeni, ale właściwościach, które zmieniają się okresowo w czasie. Ta zmienność czasowa umożliwia modulowanie i wzmacnianie składu widmowego światła, co czyni je cennymi dla optycznego przetwarzania informacji.
„Daje nam to nowe stopnie swobody, ale stwarza także wiele wyzwań” – wyjaśnił profesor Carsten Rockstuhl z Instytutu Teoretycznej Fizyki Ciała Stałego i Instytutu Nanotechnologii KIT. „To badanie toruje drogę do wykorzystania tych materiałów w systemach przetwarzania informacji, które mogą wykorzystywać i wzmacniać światło o dowolnej częstotliwości”.
Krok bliżej czterowymiarowych kryształów fotonicznych
Kluczowym parametrem fotonicznego kryształu czasu jest jego pasmo wzbronione w przestrzeni pędu. Pęd jest miarą kierunku, w którym rozchodzi się światło. Pasmo wzbronione określa kierunek, w którym światło musi się rozchodzić, aby zostało wzmocnione; im szerszy pasmo wzbronione, tym większe wzmocnienie.
„Wcześniej musieliśmy zintensyfikować okresowe zmiany właściwości materiału, takich jak współczynnik załamania światła, aby uzyskać szerokie pasmo wzbronione. Tylko wtedy światło będzie w ogóle możliwe do wzmocnienia” – wyjaśnia Puneet Garg, jeden z dwóch głównych autorów badania. „Ponieważ możliwości tego są ograniczone w przypadku większości materiałów, jest to duże wyzwanie”.
Postęp w materiałach optycznych za pomocą kryształów czasoprzestrzennych
Rozwiązanie badaczy polegało na połączeniu fotonicznych kryształów czasu z dodatkową strukturą przestrzenną. Stworzyli „fotoniczne kryształy czasoprzestrzeni”, integrując fotoniczne kryształy czasu wykonane z krzemowych kulek, które „łapią” i zatrzymują światło dłużej niż było to wcześniej możliwe. Światło wtedy znacznie lepiej reaguje na okresowe zmiany właściwości materiału.
„Mówimy o rezonansach, które intensyfikują interakcje między światłem a materią” – powiedział Xuchen Wang, drugi główny autor. „W tak optymalnie dostrojonych systemach pasmo wzbronione rozciąga się na prawie całą przestrzeń pędu, co oznacza, że światło może zostać wzmocnione niezależnie od kierunku jego propagacji. Może to być kluczowy brakujący krok na drodze do praktycznego zastosowania takich nowatorskich materiałów optycznych”.
Potencjał i zastosowania innowacji fotonicznych
„Jesteśmy bardzo podekscytowani tym przełomem w materiałach fotonicznych i nie możemy się doczekać długoterminowych skutków naszych badań. Teraz można wykorzystać ogromny potencjał badań nad nowoczesnymi materiałami optycznymi” – powiedział Rockstuhl. „Pomysł nie ogranicza się do optyki i fotoniki; można je zastosować w różnych układach fizycznych i może zainspirować nowe badania w innych dziedzinach”.
Odniesienie: „Rozszerzanie pasm wzbronionych pędu w kryształach czasu fotonicznego poprzez rezonanse” autorstwa X. Wanga, P. Garga, MS Mirmoosa, AG Lamprianidisa, C. Rockstuhl i VS Asadchy, 12 listopada 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01563-3
Ten projekt badawczy został zrealizowany w Centrum Badań Wspólnych „Zjawiska falowe: analiza i numeryka”, finansowanym przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) i jest osadzony w obszarze badań informacyjnych Stowarzyszenia Helmholtza.
