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二維光子時(shí)間晶體增強(qiáng)光波的示意圖。圖片來(lái)源：芬蘭阿爾托大學(xué)

芬蘭阿爾托大學(xué)、德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院和美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)造光子時(shí)間晶體的方法，并表明這些奇異的人造材料可放大照射在它們身上的光。新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在5日《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，或引領(lǐng)更高效、更強(qiáng)大的無(wú)線(xiàn)通信，并顯著改進(jìn)激光器。

時(shí)間晶體最早是由諾貝爾獎(jiǎng)得主弗蘭克·威爾切克于2012年提出的。人們熟悉的普通水晶具有在空間中重復(fù)的結(jié)構(gòu)模式，但在時(shí)間晶體中，這種模式卻在時(shí)間中重復(fù)。去年，阿爾托大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)創(chuàng)造了成對(duì)的時(shí)間晶體。

此次，新研究團(tuán)隊(duì)制造了光子時(shí)間晶體，這是基于時(shí)間的光學(xué)材料版本。研究人員創(chuàng)造了在微波頻率下工作的光子時(shí)間晶體，他們證明這種晶體可放大電磁波。這種能力在各種技術(shù)中都有潛在的應(yīng)用，包括無(wú)線(xiàn)通信、集成電路和激光。

到目前為止，對(duì)光子時(shí)間晶體的研究主要集中在塊狀材料上，也就是三維結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)此次嘗試了一種新方法，構(gòu)建一種被稱(chēng)為超構(gòu)表面的二維光子時(shí)間晶體。這種新的方法使研究人員能夠制造出光子時(shí)間晶體，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了關(guān)于其行為的理論預(yù)測(cè)。

研究人員表示，這是第一次證明光子時(shí)間晶體可高增益地放大入射光。在光子時(shí)間晶體中，光子以隨時(shí)間重復(fù)的模式排列。這意味著晶體中的光子是同步且相干的，這可能會(huì)導(dǎo)致光的相長(zhǎng)干涉和放大。光子的周期性排列意味著它們也能以促進(jìn)放大的方式相互作用。

二維光子時(shí)間晶體具有廣泛的潛在應(yīng)用前景。通過(guò)放大電磁波，它們可以使無(wú)線(xiàn)發(fā)射器和接收器更強(qiáng)大或更高效。在表面涂覆2D光子時(shí)間晶體也有助于解決信號(hào)衰減問(wèn)題，這是無(wú)線(xiàn)傳輸中的一個(gè)重要問(wèn)題。

光子時(shí)間晶體還可通過(guò)消除激光腔中通常使用的大塊反射鏡來(lái)簡(jiǎn)化激光器設(shè)計(jì)。此外，將二維光子時(shí)間晶體集成到電路系統(tǒng)中，可放大表面波，提高通信效率。

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