Нова информация за времевите кристали, които могат да усилват светлинните вълни

Учените от университета Аалто във Финландия са създали нов вид фотонен кристал, който може да усилва електромагнитните вълни. Тази способност може да се използва в редица области, включително в безжичните комуникации, интегралните схеми и лазерите.

Времевият кристал е структура, чиито атоми са разположени периодично не само в пространството (като класическия кристал), но и във времето. По-конкретно това означава, че частиците, които изграждат структурата, могат периодично да се движат и да се връщат в първоначалното си състояние. Концепцията е предложена за първи път през 2012 г. от американския физик и нобелов лауреат Франк Уилчек. Към днешен ден се счита, че новият тип времеви кристали могат да се използват за създаването на свръхсигурни квантови компютри с много ниска погрешност.

Като допълнителна степен на свобода, времето значително разширява потенциала на изкуствените електромагнитни материали. По този начин, няколко години по-късно, бяха теоретично разработени първите времеви фотонни кристали – изкуствени материали, чиито електромагнитни свойства (като диелектрична проницаемост или магнитна проницаемост) периодично и бързо се модулират във времето, като същевременно остават хомогенни в пространството. Изследователите успяха да създадат нов тип времеви кристали, които могат да работят с микровълнови честоти и демонстрираха, че те могат и да усилват светлината.

Времеви кристали на базата на двуизмерен материал

Обикновените фотонни кристали са периодични структури от диелектрични, полупроводникови или метал-диелектрични материали, в които разпространението на електромагнитните вълни се променя периодично, а показателят на пречупване е „пространствено периодичен“. Във времевите фотонни кристали всичко е много по-различно: показателят на пречупване се модулира периодично във времето, в свръхбързи времеви мащаби. Теоретично, когато даден излъчвател се постави в такъв времеви кристал, то тези кристали би трябвало да усилват неговото излъчване.

Като истински времеви аналози на класическите фотонни кристали, те могат да имитират тяхното поведение. Подобно на „честотните междини“ на последните, модулацията на времевите фотонни кристали води до „фотонни импулсни междини“, при които електромагнитната вълна нараства експоненциално с течение на времето.

Досега изследванията на времевите фотонни кристали бяха съсредоточени върху насипни материали (прахове, руди или други твърди или течни материали), които представляват триизмерни структури. Въпреки това техният синтез и експерименталното наблюдение на тяхната физика са много трудни поради строгото изискване за равномерна модулация на свойствата на материала в насипните образци.

Затова екип от изследователи от Университета Аалто, Технологичния институт в Карлсруе (KIT) и Станфордския университет опитаха нов подход: те разшириха концепцията за времевите фотонни кристали до двуизмерни изкуствени структури, наречени метаповърхности.

В този случай кристалите се простират в едно времево измерение и само в две пространствени измерения (по които метаповърхността е еднородна). Оказа се, че намаляването на размерността от триизмерна структура до двуизмерна структура значително опростява реализацията, което дава възможност за много по-лесното изготвяне на този наистина нов  и интересен вид времеви кристали.

Възможност за значително подобряване на комуникационните технологии

Научният екип за първи път успя експериментално да демонстрира. че фотонните времеви кристали могат да усилват както преминаващата, така и падащата върху тях светлина с висок коефициент на усилване. Този феномен на значително усилване на светлинните вълни се дължи на разположението на фотоните в кристала. Те следват повтарящ се във времето модел, което означава, че са синхронизирани и кохерентни, което може да доведе до така наречената конструктивна интерференция и по този начин до усилване на светлината. Основната особеност е, че когато честотата на модулацията е близка до удвоената честота на преминаващата през времевия фотонен кристал, усилването е максимално, понеже светлината вълна попада точно в  по средата на така наречените от учените честотни междини.

По този начин двуизмерните времеви кристали имат множество потенциални приложения. Чрез усилването на електромагнитните вълни те могат да направят безжичните предаватели и приемници много по-мощни и по-ефективни. Повърхностно покритие от такива кристали може също така да помогне за намаляване на затихването на сигнала, което днес е един от основните проблеми при безжичния обмен на данни.

Изследователите отбелязват също така, че двуизмерните времеви фотонни кристали могат да се използват за опростяване на лазерния дизайн. Понастоящем лазерните излъчватели имат нужда от множество огледала, състоящи се от множество слоеве с различни показатели на пречупване, чиято роля е да насочват лъча към усилващата среда. Използването на новия тип времеви кристали може наистина силно да опрости конструкцията на съвременните бойни лазери, използвани от военните.

И още екипът откри, че тези кристали усилват не само електромагнитните вълни, които попадат върху тях от околното пространство, но и повърхностните вълни, които се разпространяват по границата между кристалите и околната среда. Повърхностните вълни се много успешно се използват за комуникация между електронните компоненти в интегралните схеми. Но поради голямото затихване те търпят значителни загуби водещи до затихване на сигнала. Интегрирането на новите времеви кристали в съвременните чипове може да се използва за усилването на повърхностните вълни и по този начин ефективността на връзката между чиплетите и кристалите на една съвременна SoC може значително да се подобри.  Възможно е съвсем скоро да станем свидетели на съвсем нов тип процесори, съставени от няколко кристала, които са много по-бързи от сегашните и консумират по-малко електрическа енергия от сегашните системи върху чипа.