По-бързо, отколкото може да се обясни: Фотонните времеви кристали могат да революционизират оптиката

Изследователите са произвели фотонни времеви кристали в почти видимия спектър, което може да революционизира приложенията в науката за светлината. Това постижение разширява известния преди това обхват на PTC, които се виждаха само в радиовълни.

Скорошно проучване разкри по-бързи колебания на индекса на пречупване, отколкото могат да бъдат обяснени от настоящите теории.

Проучване, публикувано наскоро в списанието нанофотоника Той разкрива, че чрез бързо регулиране на индекса на пречупване – което е съотношението на скоростта на електромагнитното излъчване в среда в сравнение със скоростта му във вакуум – е възможно да се произведат фотонни времеви кристали (PTC) в почти видимата част на спектъра.

Авторите на изследването предполагат, че способността да се запазят PTC във зрителното поле може да има дълбоки последици за науката за фотониката, позволявайки наистина разрушителни приложения в бъдеще.

PTCs, материали, чийто индекс на пречупване нараства и пада бързо с времето, са временният еквивалент на фотонни кристали, в които индексът на пречупване осцилира периодично в пространството, причинявайки например преливане на благородни метали и крила на насекоми.

Експериментална постановка за темпорален рефрактометър в едноциклична система. Кредит: Иран Лустиг и др.

PTCs са стабилни само ако индексът на пречупване може да бъде направен да се покачва и намалява в съответствие с един цикъл от електромагнитни вълни на въпросната честота.Следователно не е изненадващо, че PTCs досега са наблюдавани в края на по-ниската честота на електромагнитното поле. спектър: с радиовълни.

В това ново проучване водещият автор Мордехай Сегев от Технион-Израелския технологичен институт, Хайфа, Израел, заедно със сътрудниците Владимир Шалев и Александра Болцева от университета Пърдю, Индиана, САЩ, и техните екипи изпратиха изключително кратки (5-6 фемтосекунди) светлинни импулси Лазери с дължина на вълната 800 nm през прозрачни проводими оксидни материали.

Това предизвика бърза промяна в индекса на пречупване, който беше изследван с лазерен лъч на сонда при малко по-дълга (близка до инфрачервената) дължина на вълната. Лъчът на сондата беше бързо изместен в червено (увеличаване на дължината на вълната) и след това в синьо (дължина на вълната намалява), когато индексът на пречупване на материала падна обратно до нормалната си стойност.

Спектрограми на предаване на 44 fs пробни импулси, преминали през ITO проба, модулиращи импулси с различни времеви ширини. Кредит: Иран Лустиг и др.

Времето, необходимо за всяка от тези промени на индекса на пречупване, беше минимално – по-малко от 10 фемтосекунди – и по този начин в рамките на един цикъл, необходим за формиране на стабилен PTC.

„Високоенергийните възбудени електрони в кристалите обикновено се нуждаят от повече от десет пъти повече време, за да се отпуснат обратно до основното си състояние и много изследователи смятат, че ултра-бързата релаксация, която наблюдаваме тук, би била невъзможна“, каза Сегев. „Не разбираме как точно се случва това.

Съавторът Шалев също предполага, че способността да се запазят PTCs във визуалното поле, както е показано тук, ще „отвори нова глава в науката за фотониката и ще даде възможност за наистина разрушителни приложения“. Ние обаче знаем малко за това какво може да бъде, тъй като през 60-те години физиците знаеха за потенциалните приложения на лазерите.

Справка: „Темпорална рефрактивна оптика с модулация с един цикъл“ от Иран Лустиг, Охад Сегал, Сохам Саха, Елияху Бордо, Сара Н. Чоудхури, Йонатан Шараби, Авнер Флейшер, Александра Болцева, Орен Коен, Владимир М. Шалев и Мордехай Сегев, 31 май 2023 г. нанофотоника.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Изследването е финансирано от Германската изследователска фондация.