新型时间晶体可以改善激光器并实现6G无线通信

XUCHEN WANG/AALTO UNIVERSITY

研究人员开发了一种制造光子时间晶体的方法，并表明这些奇异的人造材料可以放大照射在它们身上的光，有可能产生更好的激光器和下一代无线通信。

正常晶体是由许多原子在空间中组织成规则图案的结构。然而，2012年，诺贝尔奖获得者Frank Wilczek构想了时间晶体，在时间晶体中，许多粒子被排列成一系列规则的运动模式，在时间而不是空间中重复。研究人员于2017年成功制造出第一颗时间晶体。

最近，科学家们还开发了光子时间晶体，其中的光学财产随时间有规律地变化。从理论上讲，光子时间晶体可能会带来新的不寻常的光控制方法。例如，这种晶体中的光子以一种随时间同步的模式排列，这一事实可能会导致相长干涉，这种干涉可以用来放大光。

迄今为止，大多数关于光子时间晶体的研究都是理论上的。德国卡尔斯鲁厄理工学院的电气工程师、该研究的主要作者Xuchen Wang表示，在这些研究中，光子时间晶体通常被认为是“类似于普通晶体”的体三维结构。因此，直到现在，所有的光子时间晶体都是三维的。

然而，创建3D光子时间晶体已经被证明是非常困难的，并且到目前为止，用这些结构进行的实验还没有超过没有实际应用的玩具模型系统。较低的频率，如微波，需要非常复杂的3D电子电路网络。对于可见频率，挑战在于确保结构每个部分的光学特性随时间均匀变化。

现在，研究人员通过制造一种结构为二维的光子时间晶体来简化这个问题。“我们只需要创造一个表面，而不是大块材料，”Wang说。

在这项新的研究中，Wang和他的同事对被称为元表面的人工二维结构进行了实验。这些超结构和类似的超材料被设计成具有自然界中通常没有的特征，例如以意想不到的方式弯曲光的能力。

Wang说：“超材料是一种3D人造材料，具有许多有趣的特性，但由于价格昂贵，重量大，高损耗等问题限制了它们的用途。为了解决这些问题，科学家们创造了2D版本的超材料，称为超表面，其功能与3D超材料相似，但更小、更轻、更便宜、损耗更少。因此，超表面如今被广泛用于微波和光学工程。”

元结构是由具有重复图案的结构组成的，其尺度小于它们设计用来操纵的光的波长。在这项新的研究中，研究人员对设计用于控制微波的超表面进行了实验。

“我们团队在设计人工2D材料方面拥有丰富的专业知识，”Wang说，“因此，为什么不研究并制造一种二维光子时间晶体呢？”

科学家们发现，正如理论预测的那样，这些新结构可以放大照射在它们身上的微波。Wang说：“我们的研究表明，即使是2D单层光子时间晶体也能表现出与其体积3D对应物相似的物理特性，这是一个非常令人惊讶和激动的发现。” 此外，二维光子时间晶体不仅能放大在自由空间中照射在其上的电磁波，还能放大沿其表面传播的波。

Wang和他的同事说，二维光子时间晶体具有一系列潜在应用。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。Wang 指出，在表面涂上二维光子时间晶体也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。光子时间晶体还可以通过消除通常用于激光腔的体镜来简化激光器设计。

另一个应用来自二维光子时间晶体的发现，它不仅放大在自由空间中撞击它们的电磁波，还放大沿着表面传播的波。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，它会遭受材料损耗，并且信号强度会降低。研究人员说，将二维光子时间晶体集成到系统中，可以放大表面波，提高通信效率。

研究人员表示，未来的研究可以寻求开发其他波长的二维光子时间晶体，如可见光。这项新的研究也可能有助于为光子时空晶体铺平道路，光子时空晶体的光学特性在空间和时间上都有规律地变化。

Wang指出：“我们相信在二维光子时间晶体中还有许多独特而有趣的特性有待发现，我们很高兴能够通过进一步的研究来探索它们。”

4月5日，科学家们在《科学进展》杂志上在线详细介绍了他们的发现。