阿尔托大学的低温实验室
诺贝尔奖获得者Frank Wilczek在2012年首次提出时间晶体的构想。传统的晶体会有空间重复的结构模式，但在时间晶体中，该模式在时间上重复。虽然一些物理学家最初对时间晶体的存在持怀疑态度，但最近的实验已经成功地创造了它们。2022年，阿尔托大学低温实验室的研究人员创造了可用于量子设备的成对时间晶体。
现在，另一个团队制造了光子时间晶体，这是光学材料的时基版本。研究人员创造了在微波频率下工作的光子时间晶体，并证明了这种晶体可以放大电磁波。该研究成果可能会带来更高效、更稳健的无线通信，并显著改善激光器。
到目前为止，研究人员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；且实验还处于模型系统阶段，不能投入实际应用。因此，包括阿尔托大学、KIT、斯坦福大学等研究人员在内的研究小组尝试了一种新的方法：构建被称为超表面的二维光子时间晶体。
研究人员Xuchen Wang说：“将维度从三维结构降低到二维结构，可以使光子时间晶体的构思更容易成为现实。”新方法使研究小组能够制造出光子时间晶体，并通过实验验证了其行为的理论预测。“我们首次证明了光子时间晶体能够高增益放大入射光。”
二维光子时间晶体增强光波的示意图
“在光子时间晶体中，光子排列成随时间重复的模式。这意味着晶体中的光子是同步且相干的，可导致光的相长干涉和放大。光子的周期性排列意味着它们也能以增强放大的方式相互作用。”Xuchen Wang补充道。
二维光子时间晶体具有广泛的潜在应用。通过放大电磁波，它们可以使无线发射器和接收器更强大或更高效。Xuchen Wang称，用二维光子时间晶体覆盖表面将有助于解决信号衰减问题，这是无线传输中的一个重要问题。光子时间晶体也可以简化激光器的设计。
另外，二维光子时间晶体不仅能放大在自由空间中撞击它们的电磁波，还能放大沿表面传播的波。表面波用于集成电路中电子元件之间的通信，当表面波传播时会遭受材料损耗，且信号强度会降低。将光子时间晶体集成到系统中可以放大表面波，并提高通信效率。
本文由光电汇根据optics.org内容编译，如需转载请注明。
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