Международная исследовательская группа впервые создала реалистичные фотонные кристаллы времени – экзотические материалы, которые экспоненциально усиливают свет. Этот прорыв открывает захватывающие возможности в таких областях, как связь, визуализация, сенсорика, и закладывает основы для более быстрых и компактных лазеров, датчиков и других оптических устройств. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.
«Эта работа может привести к первой экспериментальной реализации фотонных временных кристаллов, что приведет к их практическому применению и потенциально изменит индустрию. От высокоэффективных усилителей света и передовых датчиков до инновационных лазерных технологий – это исследование бросает вызов границам того, как мы можем управлять взаимодействием света и материи», – говорит доцент Виктор Асадчий из Университета Аалто (Финляндия).
Фотонные временные кристаллы представляют собой уникальный класс оптических материалов. В отличие от традиционных кристаллов, которые имеют пространственно повторяющиеся структуры, фотонные временные кристаллы остаются однородными в пространстве, но демонстрируют периодические колебания во времени. Это отличительное свойство создает «импульсные разрывы», или необычные состояния, когда свет замирает внутри кристалла, а его интенсивность растет по экспоненте с течением времени. Чтобы понять особенность взаимодействия света в фотонном временном кристалле, представьте себе луч, проходящий через среду, которая переключается между воздухом и водой квадриллионы раз в секунду – удивительное явление, которое бросает вызов традиционному пониманию оптики.
Одно из потенциальных применений фотонных кристаллов времени – наносенсорика.
«Представьте, что мы хотим обнаружить присутствие маленькой частицы, например, вируса, загрязнителя или биомаркера для таких заболеваний, как рак. При возбуждении частица будет излучать крошечное количество света с определенной длиной волны. Фотонный временной кристалл может улавливать этот свет и автоматически усиливать его, обеспечивая более эффективное обнаружение с помощью существующего оборудования», – говорит Асадчий.
Создание фотонных временных кристаллов для видимого света долгое время оставалось сложной задачей из-за необходимости чрезвычайно быстрого, но одновременно масштабного изменения свойств материала. На сегодняшний день наиболее продвинутая экспериментальная демонстрация фотонных кристаллов времени, разработанная членами той же исследовательской группы, была ограничена гораздо более низкими частотами, такими как микроволны.
В последней работе команда предлагает, используя теоретические модели и электромагнитное моделирование, первый практический подход к созданию «истинно оптических» фотонных кристаллов времени. С помощью массива крошечных кремниевых сфер ученые предсказывают, что особые условия, необходимые для усиления света, которые ранее были невозможными, наконец, могут быть достигнуты в лаборатории с помощью известных оптических методов.
[Фото: Xuchen Wang / Aalto University]
