Naukowcy stworzyli kryształy czasu fotonicznego, unikalne materiały wzmacniające światło i mogące ulepszyć lasery, czujniki i technologie komunikacyjne.
Kryształy te wykazują oscylacje zależne od czasu, co pozwala na wykładnicze wzmocnienie światła i ma potencjalne zastosowania, od zaawansowanego wykrywania po komunikację.
Fotoniczne kryształy czasu
Naukowcom z powodzeniem zaprojektowano realistyczne kryształy czasu fotonicznego — egzotyczne materiały zdolne do wykładniczego wzmacniania światła. Ten przełom, dokonany przez międzynarodowy zespół naukowców, otwiera możliwości transformacji w takich dziedzinach, jak komunikacja, obrazowanie i wykrywanie, kładąc podwaliny pod szybsze, bardziej kompaktowe lasery, czujniki i inne technologie optyczne.
„Te prace mogą doprowadzić do pierwszej eksperymentalnej realizacji fotonicznych kryształów czasu, nadając im praktyczne zastosowania i potencjalnie przekształcając gałęzie przemysłu” – mówi adiunkt Viktar Asadchy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii. „Od wysokowydajnych wzmacniaczy światła i zaawansowanych czujników po innowacyjne technologie laserowe – badania te podważają granice możliwości kontrolowania interakcji światła z materią”.
Zrozumienie i zastosowanie kryształów czasu
Fotoniczne kryształy czasu są unikalnym rodzajem materiału optycznego. W przeciwieństwie do tradycyjnych kryształów, które mają powtarzające się struktury w przestrzeni, kryształy te pozostają jednorodne przestrzennie, ale okresowo oscylują w czasie. Ta właściwość tworzy „przerwy wzbronione pędu”, niezwykłe stany, w których światło skutecznie zatrzymuje się wewnątrz kryształu, podczas gdy jego intensywność rośnie wykładniczo. Aby zilustrować tę niezwykłą interakcję, wyobraźmy sobie światło przemieszczające się przez ośrodek będący na przemian powietrzem i wodą biliardy razy na sekundę – zjawisko, które podważa konwencjonalne rozumienie optyki i odkrywa nowe możliwości.
Jednym z potencjalnych zastosowań fotonicznych kryształów czasu jest nanosensing.
„Wyobraźcie sobie, że chcemy wykryć obecność małej cząstki, takiej jak wirussubstancja zanieczyszczająca lub biomarker chorób takich jak rak. Po wzbudzeniu cząstka emitowała niewielką ilość światła o określonej długości fali. Fotoniczny kryształ czasu może wychwycić to światło i automatycznie je wzmocnić, umożliwiając skuteczniejszą detekcję za pomocą istniejącego sprzętu” – mówi Asadchy.
Pokonywanie wyzwań technicznych
Tworzenie kryształów czasu fotonicznego dla światła widzialnego od dawna stanowi wyzwanie ze względu na potrzebę niezwykle szybkiej, a jednocześnie dużej amplitudy zmian właściwości materiału. Jak dotąd najbardziej zaawansowana eksperymentalna demonstracja kryształów czasu fotonicznego – opracowana przez członków tego samego zespołu badawczego – ograniczała się do znacznie niższych częstotliwości, takich jak mikrofale. W swojej najnowszej pracy zespół proponuje, poprzez modele teoretyczne i symulacje elektromagnetyczne, pierwsze praktyczne podejście do uzyskania „prawdziwie optycznych” fotonicznych kryształów czasu. Wykorzystując szereg maleńkich kulek krzemowych, przewidują, że specjalne warunki potrzebne do wzmocnienia światła, które wcześniej były poza zasięgiem, można wreszcie osiągnąć w laboratorium przy użyciu znanych technik optycznych.
Zespół składał się z naukowców z Uniwersytetu Aalto, Uniwersytetu Wschodniej Finlandii, Instytutu Technologii w Karlsruhe i Uniwersytetu Inżynierskiego w Harbin. Badanie zostało opublikowane w Fotonika Przyrody 12 listopada.
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
