Кристаллы времени были впервые задуманы Нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком в 2012 году. Обычные, знакомые кристаллы имеют структурный узор, который повторяется в пространстве, но в кристалле времени вместо этого узор повторяется во времени. Хотя некоторые физики изначально скептически относились к тому, что кристаллы времени могут существовать, недавние эксперименты привели к их созданию. В прошлом году исследователи из лаборатории низких температур Университета Аалто создали парные кристаллы времени, которые могли бы быть полезны для квантовых устройств.

Теперь другая команда создала фотонные кристаллы времени, которые представляют собой основанные на времени версии оптических материалов. Исследователи создали фотонные кристаллы времени, работающие на микроволновых частотах, и показали, что кристаллы могут усиливать электромагнитные волны. Эта способность имеет потенциальное применение в различных технологиях, включая беспроводную связь, интегральные схемы и лазеры.

До сих пор исследования фотонных кристаллов времени были сосредоточены на объемных материалах, то есть трехмерных структурах. Это оказалось чрезвычайно сложной задачей, и эксперименты не продвинулись дальше модельных систем, не имеющих практического применения. Итак, команда, в которую вошли исследователи из Университета Аалто, Технологического института Карлсруэ (KIT) и Стэнфордского университета, попробовала новый подход: создать двумерный фотонный кристалл времени, известный как метаповерхность.

"Мы обнаружили, что уменьшение размерности с 3D до 2D структуры значительно упростило реализацию, что позволило реализовать фотонные кристаллы времени в реальности", - говорит Сючен Ван, ведущий автор исследования, который был докторантом в Aalto и в настоящее время работает в KIT.

Новый подход позволил команде изготовить фотонный временной кристалл и экспериментально подтвердить теоретические предсказания о его поведении. "Мы впервые продемонстрировали, что фотонные временные кристаллы могут усиливать падающий свет с высоким коэффициентом усиления", - говорит Ван.

"В фотонном кристалле времени фотоны расположены по схеме, которая повторяется с течением времени. Это означает, что фотоны в кристалле синхронизированы и когерентны, что может привести к конструктивной интерференции и усилению света", - объясняет Ван. Периодическое расположение фотонов означает, что они также могут взаимодействовать таким образом, чтобы увеличить усиление.

Двумерные фотонные кристаллы времени имеют широкий спектр потенциальных применений. Усиливая электромагнитные волны, они могли бы сделать беспроводные передатчики и приемники более мощными или более эффективными. Ван указывает, что покрытие поверхностей двумерными фотонными кристаллами времени также может помочь при затухании сигнала, что является серьезной проблемой при беспроводной передаче. Фотонные временные кристаллы также могли бы упростить конструкцию лазера, устранив необходимость в объемных зеркалах, которые обычно используются в лазерных резонаторах.

Другое применение вытекает из открытия, что двумерные фотонные кристаллы времени усиливают не только электромагнитные волны, которые попадают на них в свободном пространстве, но и волны, распространяющиеся вдоль поверхности. Поверхностные волны используются для связи между электронными компонентами в интегральных схемах. "Когда распространяется поверхностная волна, она страдает от материальных потерь, и уровень сигнала снижается. Благодаря встроенным в систему кристаллам 2D-фотонного времени поверхностная волна может быть усилена, а эффективность связи повышена", - говорит Ван.