KIT研究人员开发出第一个二维光子时间晶体

光子时间晶体的特性周期性变化，有望在微波工程、光学和光子学领域取得重大进展。卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的研究人员以及阿尔托大学和斯坦福大学的合作伙伴揭开了突破性的二维光子时间晶体的面纱，并展示了其重要应用。他们的方法简化了光子时间晶体的实现，并可能提高未来通信系统的效率。这项研究的结果已在科学进展中报道。

从广义上讲，时间晶体属于所谓的超材料，是一种人工制造的材料，具有自然界不存在的特性。时间晶体这个迷人的概念最早是由诺贝尔物理学奖获得者弗兰克维尔切克在 2012 年提出的。与普通晶体不同，时间晶体不会在空间中改变它们的特性，而是在时间中周期性地改变。光子学研究人员目前正在研究这些材料的第一个光学版本，称为光子时间晶体。这些晶体在增强无线通信信号和新一代激光系统方面显示出巨大潜力，因为在光子时间晶体中传播的电磁波可以被有效放大。

降维有利于实现

然而，迄今为止，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。实施体光子时间晶体已被证明具有巨大的挑战性，并且实验尚未超出没有实际应用的模型系统。来自 KIT 纳米技术研究所 (INT) 和理论固态物理研究所 (TFP) 的研究人员，以及来自芬兰阿尔托大学和斯坦福大学的合作伙伴，现已开发出一种新方法，并将结果展示在《科学进展》杂志：该团队成功地创造了有史以来第一个二维光子时间晶体。这实际上是超材料的一层非常薄的层。“我们发现将维度从 3D 结构降低到 2D 结构使实施变得更加容易，这使得实现光子时间晶体成为可能。该团队设计并合成了一个二维电磁结构，其中嵌入了周期性的可调元件，以动态地及时重复其电磁特性。通过二维结构，他们通过实验验证了对其行为的理论预测。“基于这一发现，我们首次观察到光子时间晶体中的强波放大，”Wang 说。该团队设计并合成了一个二维电磁结构，其中嵌入了周期性的可调元件，以动态地及时重复其电磁特性。通过二维结构，他们通过实验验证了对其行为的理论预测。“基于这一发现，我们首次观察到光子时间晶体中的强波放大，”Wang 说。该团队设计并合成了一个二维电磁结构，其中嵌入了周期性的可调元件，以动态地及时重复其电磁特性。通过二维结构，他们通过实验验证了对其行为的理论预测。“基于这一发现，我们首次观察到光子时间晶体中的强波放大，”Wang 说。

用于更高效通信的二维光子时间晶体

这一突破性发现可以导致各种技术的重大进步，例如无线通信、集成电路和激光。通过放大电磁波，未来将有可能构建更强大、更高效的无线发射器和接收器。更重要的是，用二维光子时间晶体涂层表面还可以减少无线传输中的信号衰减，这是无线传输中的瓶颈问题。二维光子时间晶体还可以简化激光器设计，避免通常用于激光腔的复杂体镜。

另一个关键应用是发现二维光子时间晶体不仅会放大自由空间中的入射电磁波，还会放大沿表面传播的电磁波。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，它会遭受材料损失，并且信号强度会降低。通过覆盖传播介质的二维光子时间晶体，可以放大表面波，提高通信效率，”王说。

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