一种新型光子时间晶体可增强光和电磁波

研究人员开发出了一种制造光子时间晶体的方法，并已经证明这些奇异的人造材料可以放大照射在它们身上的光。发布在近期《科学进展》杂志上的一篇论文描述了这些发现，该发现可能会带来更高效、更稳健的无线通信，并显著改善激光器。

诺贝尔奖获得者Frank Wilczek在2012年首次构想出时间晶体。我们熟悉的晶体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。虽然一些物理学家最初怀疑时间晶体是否存在，但最近的实验已经成功地创造了它们。去年，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，这是基于时间的光学材料。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以放大电磁波。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。

二维光子时间晶体如何增强光波的示意图

到目前为止，对光子时间晶体的研究主要集中在块状材料，即三维结构上。事实证明，这极具挑战性，并且实验还没有通过没有实际应用的模型系统。因此，包括来自阿尔托大学、卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 和斯坦福大学的研究人员在内的团队尝试了一种新方法：构建一个二维光子时间晶体，称为超表面。

该研究的主要作者Xuchen Wang是阿尔托大学的博士生，目前在KIT工作，他说：“我们发现，将三维结构降到二维结构使实现变得更加容易，这使得在现实中实现光子时间晶体成为可能”。

新方法使团队能够制造光子时间晶体并通过实验验证对其行为的理论预测。Xuchen Wang说：“我们首次证明光子时间晶体可以以高增益放大入射光。”

Wang 解释道：“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，这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增强放大的方式相互作用。”

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。Wang说：“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。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。”

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