Вчені все ще намагаються розібратися в тонкощах дивних матеріалів, відомих як кристали часу – структур, які вічно рухаються і дзижчать. Тепер новий різновид може допомогти поглибити наше розуміння загадкового стану матерії.
Так само як звичайні кристали – це атоми та молекули, що повторюються в просторі, часові кристали – це сукупність частинок, які з певною періодичністю повторюють певні патерни, що, на перший погляд, здаються непідвладними науці.
Теоретично описані у 2012 році і вперше побачені в лабораторії лише чотири роки по тому, дослідники були зайняті вивченням структур, щоб дослідити глибші основи фізики елементарних частинок і виявити потенційні можливості їх застосування.
У цьому останньому дослідженні було створено новий тип “фотонного” часового кристала. Працюючи на мікрохвильових частотах, він здатен вирівнювати та підсилювати електромагнітні хвилі, що відкриває перспективи його застосування в системах бездротового зв’язку, розробці лазерів та електронних схем. “У фотонному часовому кристалі фотони розташовуються за схемою, яка повторюється з часом”, – говорить провідний автор Сючен Ван, наноінженер з Технологічного інституту Карлсруе в Німеччині. “Це означає, що фотони в кристалі синхронізовані і когерентні, що може призвести до конструктивної інтерференції і посилення світла”.
Крім того, дослідницька група виявила, що електромагнітні хвилі, які рухаються вздовж поверхонь, можуть бути посилені так само як і хвилі з навколишнього середовища.
В основі дослідження лежить 2D-підхід, заснований на надтонких листах штучних матеріалів, відомих як метаповерхні. Раніше дослідження фотонних часових кристалів проводилися за допомогою об’ємних 3D-матеріалів: створення та вивчення цих матеріалів було надзвичайно складним для вчених, але перехід до 2D означає швидший і простіший шлях до експериментів – і до з’ясування того, як ці кристали можуть бути застосовані в реальних умовах.
Хоча вони простіші за повноцінні 3D-структури, вони мають деякі важливі характеристики фотонних часових кристалів і можуть імітувати їхню поведінку, включаючи спосіб взаємодії зі світлом. Вперше було показано, що фотонні часові кристали підсилюють світло саме таким чином і в такому значному ступені. “Ми виявили, що зменшення розмірності з 3D- до 2D-структури значно полегшило реалізацію, що дозволило втілити фотонні часові кристали в реальність”, – каже Ван.
Хоча до реальних застосувань ще далеко, підхід з використанням 2D метаповерхонь як способу створення та дослідження фотонних кристалів часу зробить цей вид досліджень набагато простішим у майбутньому.
Відкриття посилення електромагнітних хвиль уздовж поверхонь, наприклад, може зрештою допомогти вдосконалити інтегральні схеми, які можна знайти всюди – від телефонів до автомобілів: зв’язок у цих схемах потенційно буде швидшим і безперебійнішим.
Існує також бездротовий зв’язок, який може страждати від загасання сигналу на відстані. Покриття поверхонь 2D фотонними часовими кристалами обіцяє покращити цю ситуацію. “Коли поверхнева хвиля поширюється, вона зазнає матеріальних втрат, і рівень сигналу знижується, – каже фізик Віктор Асадчий з Університету Аалто у Фінляндії. “За допомогою 2D фотонних часових кристалів, інтегрованих в систему, поверхневу хвилю можна підсилити і підвищити ефективність зв’язку”.
Теж цікаво: