Пространственно-временные кристаллы: ключ к сверхэффективной связи

Фотонные пространственно-временные кристаллы представляют собой материалы, способные значительно повысить эффективность беспроводной связи и лазерных технологий.

Фото: U.S. Navy by Greg Vojtko, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Физик

Эти структуры сочетают пространственное и временное периодическое распределение свойств, что позволяет точно контролировать взаимодействие света с материалом.

Команда учёных из Технологического института Карлсруэ (KIT), в сотрудничестве с Университетом Аалто, Университетом Восточной Финляндии и Харбинским инженерным университетом, показала, как использовать такие материалы на практике.

Новые горизонты фотонных технологий

Фотонные временные кристаллы отличаются тем, что их свойства, такие как показатель преломления, изменяются периодически во времени. Это открывает уникальные возможности для управления светом — например, усиление и модуляция спектрального состава.

"Этот подход даёт нам новые инструменты для работы со светом, но также ставит перед нами технические вызовы,” — отметил Карстен Рокштуль, профессор из Института нанотехнологий KIT.

Исследование демонстрирует, как эти материалы могут использоваться для обработки оптической информации и усиления света любой частоты.

Ключевые открытия

Одной из сложностей создания таких материалов является необходимость расширения запрещённой зоны в пространстве импульсов. Чем шире эта зона, тем выше эффективность усиления света. Ранее это требовало значительного усиления изменений свойств материала, что было сложно из-за физических ограничений.

Решение нашлось благодаря комбинации временной и пространственной структуры. Учёные разработали фотонные пространственно-временные кристаллы на основе кремниевых сфер, которые позволяют удерживать свет дольше.

"Благодаря оптимальной настройке мы можем усилить взаимодействие между светом и материалом до беспрецедентного уровня,” — пояснил Сючэнь Ван, один из авторов исследования.

Эти кристаллы обладают резонансами, которые усиливают свет независимо от его направления, что делает технологию универсальной. Такое решение может стать ключевым шагом к практическому применению новых оптических материалов, от беспроводных технологий до лазеров.

Потенциальные применения

Карстен Рокштуль уверен, что работа открывает огромный потенциал для дальнейших исследований.

"Мы видим, как эта идея может вдохновить на новые разработки не только в фотонике, но и в других областях физики,” — отметил Карстен.

Эти открытия помогут значительно расширить границы современных оптических технологий и найти новые способы использования света в обработке информации.

Уточнения

Фотонный кристалл — структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света.