光子时间晶体放大光线可以增强通信设施和激光器的能力

研究人员已经开发出一种创建光子时间晶体的方法，并表明这些奇异的人造材料能够放大照在它们身上的光线。发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中描述了这些发现，它们可能会带来更高效和更强大的无线通信手段，并大大改善激光器的效率。

二维光子时间晶体如何提升光波的图示。资料来源：Xuchen Wang/阿尔托大学

时间晶体最早是由诺贝尔奖获得者Frank Wilczek在2012年设想的。普通的晶体有一个在空间中重复的结构模式，但在时间晶体中，该模式在时间中重复。虽然一些物理学家最初对时间晶体的存在持怀疑态度，但最近的实验已经成功地创造了它们。去年，阿尔托大学低温实验室的研究人员创造了成对的时间晶体，可能对量子设备有用。

现在，另一个团队制造了光子时间晶体，这是基于时间的光学材料版本。研究人员创造了在微波频率下工作的光子时间晶体，他们表明，这种晶体可以放大电磁波。这种能力有可能应用于各种技术，包括无线通信、集成电路和激光器。

到目前为止，对光子时间晶体的研究主要集中在块状材料上，即三维结构。这已被证明是巨大的挑战，而且实验还没有超越没有实际应用的模型系统。因此，包括来自阿尔托大学、卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和斯坦福大学的研究人员在内的该团队尝试了一种新的方法：建立一个二维光子时间晶体，它被称为元表面。

该研究的主要作者王旭晨说："我们发现，将维度从三维结构减少到二维结构，使得实施起来非常容易，这使得在现实中实现光子时间晶体成为可能，"他曾是阿尔托的博士生，目前在KIT工作。

这种新方法使研究小组能够制造出光子时间晶体，并在实验中验证关于其行为的理论预测。"我们首次证明了光子时间晶体能够以高增益放大入射光，"王说。

"在光子时间晶体中，光子被安排在一个随时间重复的模式中。这意味着晶体中的光子是同步和相干的，这可以导致光的建设性干扰和放大，光子的周期性排列意味着它们也能以促进放大的方式进行互动。"

二维光子时间晶体有一系列的潜在应用。通过放大电磁波，它们可以使无线发射器和接收器更强大或更有效。王指出，用二维光子时间晶体涂抹表面也可以帮助解决信号衰减问题，这是无线传输中的一个重要问题。光子时间晶体还可以简化激光器的设计，因为它不再需要通常用于激光腔的大块反射镜。

另一个应用来自于这样的发现：二维光子时间晶体不仅能放大在自由空间中击中它们的电磁波，还能放大沿表面传播的波。表面波被用于集成电路中电子元件之间的通信。"当表面波传播时，它受到材料损失的影响，信号强度也会降低。通过将二维光子时间晶体集成到系统中，表面波可以被放大，通信效率也得到提高。"