光子时间晶体的新设计改变控制光的方式

一个国际研究团队首次设计出了逼真的光子时间晶体——一种能以指数形式放大光线的奇异材料。这一突破为更快、更紧凑的激光器、传感器和其他光学设备奠定了基础，从而为通信、成像和传感等领域带来了令人兴奋的可能性。

芬兰阿尔托大学助理教授Viktar Asadchy说：“这项工作可能导致光子时间晶体的首次实验性实现，推动它们进入实际应用，并有可能改变各行各业。从高效光放大器和先进传感器到创新激光技术，这项研究挑战了我们如何控制光物质相互作用的界限"。

这项研究发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上。

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这项工作可能会导致光子时间晶体的首次实验实现，将其推向实际应用并可能改变行业

光子时间晶体是一类独特的光学材料。与具有空间重复结构的传统晶体不同，光子时间晶体在空间上保持一致，但在时间上呈现周期性振荡。这种与众不同的特性产生了 “动量带隙”，即光在晶体内停顿，而其强度随时间呈指数增长的不寻常状态。

要理解光在光子时间晶体内相互作用的特殊性，可以想象一下光在介质中穿行的情景，这种介质每秒在空气和水之间切换四千万次——这种非凡的现象挑战了我们对光学的传统理解。

光子时间晶体的一个潜在应用是纳米传感。

Asadchy说：“想象一下，我们想检测一种小颗粒的存在，如病毒、污染物或癌症等疾病的生物标记物。当粒子被激发时，会发出特定波长的微量光。光子时间晶体可以捕捉这种光并自动放大，从而利用现有设备实现更高效的检测。"

长期以来，为可见光制造光子时间晶体一直是一项挑战，因为需要极快地同时大振幅地改变材料特性。迄今为止，光子时间晶体最先进的实验演示——由同一研究团队的成员开发--仅限于更低的频率，如微波。

在最新研究成果中，该团队通过理论模型和电磁模拟，首次提出了实现“真正光学”光子时间晶体的实用方法。他们预测，通过使用微小硅球阵列，以前无法实现的光放大所需的特殊条件终于可以在实验室中利用已知的光学技术实现。

该团队由来自阿尔托大学、东芬兰大学、卡尔斯鲁厄理工学院和哈尔滨工程大学的研究人员组成。

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论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01563-3