光子時空晶體可以更好地利用光與物質之間的相互作用。 (圖:王旭晨,KIT 和哈爾濱工程)
德國卡爾斯魯厄 —在一項讓我們更接近下一代光學技術的突破中,研究人員展示了一種利用他們所謂的「光子時間晶體」來控制和放大光的新穎理論方法。這項創新可以幫助克服開發先進光學運算和電信系統的主要障礙。
時間晶體是人造材料,其電磁特性在空間中保持均勻,但隨時間週期性變化。與在空間中具有重複圖案的常規晶體不同,這些結構產生在時間上重複的圖案。這種時間模式創造了科學家所說的「動量帶隙」——一種特殊的條件,光可以隨著時間的推移呈指數級放大。
「以前,我們必須加強材料特性(例如折射率)的週期性變化才能實現寬頻隙。只有這樣,光才能被放大,」該研究的主要作者之一普尼特·加格(Puneet Garg)在一份聲明中解釋道。 “由於大多數材料的選擇有限,因此這是一個巨大的挑戰。”
根本挑戰在於,製造光子時間晶體需要材料將其光學特性改變近 100%,而這項壯舉需要大量的能量。使用目前的材料,實現如此巨大的變化需要每立方公分高達數十太瓦。如此強烈的能量可能會很快損壞所使用的材料。
由卡爾斯魯厄理工學院、哈爾濱工程大學和其他機構的科學家領導的研究小組透過他們所謂的「共振超表面」找到了一種創新的解決方案。他們沒有試圖迫使普通材料發生巨大變化,而是設計了由精確排列的奈米級顆粒製成的特殊結構,這些結構透過共振自然地增強了所需的效果。
「這給了我們新的自由度,但也帶來了很多挑戰,」卡爾斯滕·羅克爾斯圖爾(Carsten Rockstuhl)教授說,他來自卡爾斯魯厄理工學院理論固體物理研究所和奈米技術研究所。
要了解共振有何幫助,請想像推動鞦韆。在適當的時刻(共振頻率)施加小推力可以產生大的振盪。同樣,當這些變化以特定頻率發生時,這些超表面被設計為對其屬性的微小變化做出強烈響應。研究團隊透過計算和模擬證明,這種諧振方法可以實現與傳統光子時間晶體相同的效果,但材料特性變化僅為 1%,而不是 100%。
「我們正在討論加強之間相互作用的共振”,另一位主要作者王旭辰解釋。在使用矽奈米球的最佳化設計中,該團隊表明他們的方法比以前的方法有效高達 350 倍。

該團隊的方法集中在創建由以精確圖案排列的矽奈米球製成的超表面。如果設計正確,這些結構可以支持所謂的「米氏共振」——光與特定尺寸的粒子相互作用時發生的自然電共振。透過以精心選擇的頻率調製這些諧振結構,研究人員表明它們可以實現光波的顯著放大。
這項突破特別有希望,因為它與– 一種已廣泛應用於光學技術且在紅外線範圍內損耗非常低的材料。研究人員證明,即使在實際材料特性和損耗的情況下,他們的方法也可以有效地發揮作用,這表明該方法可以利用當前的製造能力來實施。
這項技術的潛在應用非常重要,儘管仍處於理論階段。在光學計算中,這些結構可以幫助使用光而不是電來處理訊息,從而有可能帶來更快、更有效率的計算機。在電信領域,它們可能會催生新型光放大器。也許最有趣的是,他們可以為– 可以捕捉小於光本身波長的細節的設備。
「這個想法不僅限於光學和光子學,」Rockstuhl 指出。 “它可以應用於各種物理系統,並有可能激發其他領域的新研究。”
該團隊設計最引人注目的方面之一是它能夠處理來自任何方向的光線。以前的方法在可以放大的光波類型方面受到更多限制。研究人員表明,它們的諧振結構可以產生跨越幾乎整個可能傳播方向範圍的帶隙,使它們比早期的設計更通用。
雖然該研究仍處於理論階段,但該團隊的仔細分析表明他們的方法可以在現實條件下發揮作用。他們考慮了材料損失等實際限制,並表明,即使存在各種缺陷,他們的設計也可以保持大幅放大。。
就像他們研究的時間晶體一樣,這項研究的影響以令人著迷的方式向外擴散。該團隊的突破表明,有時最重要的進步不是來自蠻力方法(例如試圖實現材料特性的巨大變化),而是來自與自然物理現象和諧相處的巧妙設計。
該研究發表在期刊上自然光子學,也代表著朝著實現光頻率光子時間晶體的首次實驗演示邁出的重要一步。雖然早期的實驗證實了微波頻率下的這些效應,但將它們帶入光學領域仍然是一個重大挑戰。這種新方法利用共振結構而不是極端的材料變化,最終可以彌補這一差距。
展望未來,光子時間晶體領域似乎有望快速發展。研究人員證明,透過相對適度的材料變化就可以實現這些效果,這為實驗物理和實際應用開闢了新的可能性。他們的工作為創建可以從根本上改變我們操縱光的方式的結構提供了路線圖。
論文摘要
方法論
研究人員採用了理論分析與數值模擬結合的雙管齊下的方法。首先,他們使用所謂的 T 矩陣方法開發了數學模型,以評估光如何與他們提出的結構相互作用。他們特別關注由矽製成的奈米球,這些奈米球以規則的圖案排列以形成超表面。這些球體的半徑被選定為約 210.6 奈米,間距為其半徑的三倍——這些尺寸經過精心選擇,以支持特定的共振行為。然後,該團隊使用詳細的電腦模擬驗證了他們的理論預測,該模擬考慮了材料損失和不同奈米球之間的耦合等現實因素。
主要結果
主要發現表明,他們的諧振方法可以實現比傳統非諧振設計寬 350 倍的動量帶隙,同時只需要材料特性改變 1%,而不是先前要求的 100%。該團隊證明了表面波(僅限於超表面)和傳播波(穿過空間)的這種效應。重要的是,他們表明,即使在實際材料損耗的情況下,他們的設計也可以保持大幅放大,特別是當材料的阻尼係數保持在諧振頻率的約5% 以下時——紅外線範圍內的矽很容易滿足這項條件。
研究局限性
儘管前景廣闊,但這項研究確實存在重要的限制。目前的設計在紅外光譜中效果最佳,將其擴展到可見光將需要不同的材料或結構調整。團隊也指出,實際實施需要精確控製材料特性的時間調製。此外,雖然他們的計算考慮了材料損失,但現實世界的製造缺陷可能會帶來理論分析中未涵蓋的額外挑戰。
討論與要點
這項工作代表了對如何實現光子時間晶體效應的根本性重新思考。團隊並沒有突破材料特性的限制,而是展示了結構共振如何能顯著增強所需的效果。他們的方法為實驗演示和實際應用開闢了新的可能性,儘管需要大量的工程工作來實現這些可能性。該研究還表明,類似的共振方法可能在需要增強弱效應的其他物理和工程領域中有價值。
資金和披露
該研究是在德國研究基金會(DFG)資助的「波現象:分析和數值」合作研究中心內進行的,屬於亥姆霍茲協會的資訊研究領域。其他支持來自多個機構,包括馬克斯普朗克光子學院、芬蘭研究委員會和各個大學計畫。這項合作涉及來自哈爾濱工程大學、卡爾斯魯厄理工學院、東芬蘭大學和阿爾託大學的研究人員,沒有公開的競爭利益。
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