Un nuovo tipo di cristallo temporale fotonico dà una spinta alla luce

05 aprile 2023 (Notizie Nanowerk) I ricercatori hanno sviluppato un modo per creare cristalli temporali fotonici e hanno dimostrato che questi bizzarri materiali artificiali amplificano la luce che li colpisce. Questi risultati, descritti in un articolo in Anticipi Scienza (“Realizzazione basata sulla metasuperficie di cristalli temporali fotonici”), potrebbe portare a comunicazioni wireless più efficienti e robuste e a laser notevolmente migliorati. I cristalli temporali sono stati concepiti per la prima volta dal premio Nobel Frank Wilczek nel 2012. I cristalli banali e familiari hanno uno schema strutturale che si ripete nello spazio, ma in un cristallo temporale lo schema si ripete invece nel tempo. Mentre alcuni fisici inizialmente erano scettici sul fatto che potessero esistere i cristalli del tempo, recenti esperimenti sono riusciti a crearli. L’anno scorso, i ricercatori del Laboratorio a bassa temperatura dell’Università di Aalto creato cristalli temporali accoppiati potrebbe essere utile per i dispositivi quantistici. Ora, un altro team ha realizzato cristalli temporali fotonici, che sono versioni basate sul tempo di materiali ottici. I ricercatori hanno creato cristalli temporali fotonici che funzionano alle frequenze delle microonde e hanno dimostrato che i cristalli possono amplificare le onde elettromagnetiche. Questa capacità ha potenziali applicazioni in varie tecnologie, tra cui la comunicazione wireless, i circuiti integrati e i laser. Un'illustrazione di come un cristallo temporale fotonico 2D può potenziare le onde luminose. (Xuchen Wang/Università Aalto) Finora, la ricerca sui cristalli del tempo fotonici si è concentrata su materiali sfusi, ovvero strutture tridimensionali. Ciò si è rivelato estremamente impegnativo e gli esperimenti non sono riusciti a superare i sistemi modello senza applicazioni pratiche. Quindi il team, che comprendeva ricercatori dell’Università di Aalto, del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e dell’Università di Stanford, ha provato un nuovo approccio: costruire un cristallo temporale fotonico bidimensionale, noto come metasuperficie. "Abbiamo scoperto che la riduzione della dimensionalità da una struttura 3D a una struttura 2D ha reso l'implementazione molto più semplice, il che ha reso possibile realizzare cristalli temporali fotonici nella realtà," dice Xuchen Wang, l'autore principale dello studio, che era uno studente di dottorato ad Aalto e è attualmente al KIT. Il nuovo approccio ha consentito al team di fabbricare un cristallo temporale fotonico e di verificare sperimentalmente le previsioni teoriche sul suo comportamento. “Abbiamo dimostrato per la prima volta che i cristalli temporali fotonici possono amplificare la luce incidente con un guadagno elevato”, afferma Wang. “In un cristallo temporale fotonico, i fotoni sono disposti secondo uno schema che si ripete nel tempo. Ciò significa che i fotoni nel cristallo sono sincronizzati e coerenti, il che può portare a interferenze costruttive e amplificazione della luce”, spiega Wang. La disposizione periodica dei fotoni fa sì che possano anche interagire in modi che aumentano l'amplificazione. I cristalli del tempo fotonico bidimensionali hanno una gamma di potenziali applicazioni. Amplificando le onde elettromagnetiche, potrebbero rendere i trasmettitori e i ricevitori wireless più potenti o più efficienti. Wang sottolinea che rivestire le superfici con cristalli temporali fotonici 2D potrebbe anche aiutare con il decadimento del segnale, che è un problema significativo nella trasmissione wireless. I cristalli temporali fotonici potrebbero anche semplificare la progettazione dei laser eliminando la necessità di specchi sfusi tipicamente utilizzati nelle cavità laser. Un’altra applicazione emerge dalla scoperta che i cristalli del tempo fotonico 2D non amplificano solo le onde elettromagnetiche che li colpiscono nello spazio libero, ma anche le onde che viaggiano lungo la superficie. Le onde superficiali vengono utilizzate per la comunicazione tra componenti elettronici nei circuiti integrati. “Quando un’onda di superficie si propaga, subisce perdite di materiale e la potenza del segnale si riduce. Con i cristalli temporali fotonici 2D integrati nel sistema, l’onda superficiale può essere amplificata e l’efficienza della comunicazione migliorata”, afferma Wang.

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