Ein neuartiger photonischer Zeitkristall verleiht dem Licht einen Schub

05 (Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher haben eine Methode zur Herstellung photonischer Zeitkristalle entwickelt und gezeigt, dass diese bizarren, künstlichen Materialien das auf sie scheinende Licht verstärken. Diese Ergebnisse werden in einem Artikel in beschrieben Wissenschaft Fortschritte („Metaoberflächenbasierte Realisierung photonischer Zeitkristalle“), könnte zu einer effizienteren und robusteren drahtlosen Kommunikation und deutlich verbesserten Lasern führen. Zeitkristalle wurden erstmals 2012 vom Nobelpreisträger Frank Wilczek konzipiert. Alltägliche, vertraute Kristalle haben ein Strukturmuster, das sich im Raum wiederholt, aber in einem Zeitkristall wiederholt sich das Muster stattdessen in der Zeit. Während einige Physiker zunächst skeptisch waren, dass Zeitkristalle existieren könnten, gelang es ihnen in jüngsten Experimenten, sie zu erschaffen. Letztes Jahr haben Forscher am Niedertemperaturlabor der Aalto-Universität gepaarte Zeitkristalle geschaffen Das könnte für Quantengeräte nützlich sein. Jetzt hat ein anderes Team photonische Zeitkristalle hergestellt, bei denen es sich um zeitbasierte Versionen optischer Materialien handelt. Die Forscher schufen photonische Zeitkristalle, die bei Mikrowellenfrequenzen arbeiten, und zeigten, dass die Kristalle elektromagnetische Wellen verstärken können. Diese Fähigkeit hat potenzielle Anwendungen in verschiedenen Technologien, einschließlich drahtloser Kommunikation, integrierten Schaltkreisen und Lasern. Eine Illustration, wie ein 2D-photonischer Zeitkristall Lichtwellen verstärken kann. (Xuchen Wang / Aalto-Universität) Bisher konzentrierte sich die Forschung zu photonischen Zeitkristallen auf Volumenmaterialien – also dreidimensionale Strukturen. Dies hat sich als enorm herausfordernd erwiesen, und die Experimente kamen nicht über Modellsysteme ohne praktische Anwendung hinaus. Deshalb versuchte das Team, dem Forscher der Aalto-Universität, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Stanford University angehörten, einen neuen Ansatz: den Bau eines zweidimensionalen photonischen Zeitkristalls, bekannt als a Metaoberfläche. „Wir haben herausgefunden, dass die Reduzierung der Dimensionalität von einer 3D- auf eine 2D-Struktur die Umsetzung erheblich vereinfachte, wodurch es möglich wurde, photonische Zeitkristalle in der Realität zu realisieren“, sagt Xuchen Wang, der Hauptautor der Studie, der Doktorand bei Aalto und war ist derzeit am KIT. Der neue Ansatz ermöglichte es dem Team, einen photonischen Zeitkristall herzustellen und die theoretischen Vorhersagen zu seinem Verhalten experimentell zu überprüfen. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass photonische Zeitkristalle einfallendes Licht mit hoher Verstärkung verstärken können“, sagt Wang. „In einem photonischen Zeitkristall sind die Photonen in einem Muster angeordnet, das sich im Laufe der Zeit wiederholt.“ „Das bedeutet, dass die Photonen im Kristall synchronisiert und kohärent sind, was zu konstruktiver Interferenz und Verstärkung des Lichts führen kann“, erklärt Wang. Durch die periodische Anordnung der Photonen können sie auch auf eine Weise interagieren, die die Verstärkung steigert. Zweidimensionale photonische Zeitkristalle haben eine Reihe potenzieller Anwendungen. Durch die Verstärkung elektromagnetischer Wellen könnten sie drahtlose Sender und Empfänger leistungsfähiger und effizienter machen. Wang weist darauf hin, dass die Beschichtung von Oberflächen mit 2D-photonischen Zeitkristallen auch beim Signalabfall helfen könnte, der ein erhebliches Problem bei der drahtlosen Übertragung darstellt. Photonische Zeitkristalle könnten auch Laserdesigns vereinfachen, indem sie die Notwendigkeit von Massenspiegeln, die normalerweise in Laserkavitäten verwendet werden, überflüssig machen. Eine weitere Anwendung ergibt sich aus der Erkenntnis, dass zweidimensionale photonische Zeitkristalle nicht nur elektromagnetische Wellen verstärken, die im freien Raum auf sie treffen, sondern auch Wellen, die sich entlang der Oberfläche bewegen. Oberflächenwellen werden zur Kommunikation zwischen elektronischen Komponenten in integrierten Schaltkreisen verwendet. „Wenn sich eine Oberflächenwelle ausbreitet, erleidet sie Materialverluste und die Signalstärke nimmt ab.“ „Mit in das System integrierten 2D-photonischen Zeitkristallen kann die Oberflächenwelle verstärkt und die Kommunikationseffizienz verbessert werden“, sagt Wang.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62749.php