二维光子时间晶体增强光波的示意图。
图片来源：芬兰阿尔托大学
芬兰阿尔托大学、德国卡尔斯鲁厄理工学院和美国斯坦福大学的研究团队开发出一种创造光子时间晶体的方法，并表明这些奇异的人造材料可放大照射在它们身上的光。新发现发表在5日《科学进展》杂志上，或引领更高效、更强大的无线通信，并显著改进激光器。
时间晶体最早是由诺贝尔奖得主弗兰克·威尔切克于2012年提出的。人们熟悉的普通水晶具有在空间中重复的结构模式，但在时间晶体中，这种模式却在时间中重复。去年，阿尔托大学低温实验室的研究人员已经创造了成对的时间晶体。
此次，新研究团队制造了光子时间晶体，这是基于时间的光学材料版本。研究人员创造了在微波频率下工作的光子时间晶体，他们证明这种晶体可放大电磁波。这种能力在各种技术中都有潜在的应用，包括无线通信、集成电路和激光。
到目前为止，对光子时间晶体的研究主要集中在块状材料上，也就是三维结构。团队此次尝试了一种新方法，构建一种被称为超构表面的二维光子时间晶体。这种新的方法使研究人员能够制造出光子时间晶体，并通过实验验证了关于其行为的理论预测。
研究人员表示，这是第一次证明光子时间晶体可高增益地放大入射光。在光子时间晶体中，光子以随时间重复的模式排列。这意味着晶体中的光子是同步且相干的，这可能会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促进放大的方式相互作用。
二维光子时间晶体具有广泛的潜在应用前景。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。在表面涂覆2D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。
光子时间晶体还可通过消除激光腔中通常使用的大块反射镜来简化激光器设计。此外，将二维光子时间晶体集成到电路系统中，可放大表面波，提高通信效率。
科技日报记者 张佳欣
