Ученые создали кристаллы времени, управляющие светом и материей

Инновационная разработка международной группы исследователей способна улучшать работу лазеров, датчиков и коммуникационных технологий. Кристаллы могут найти применение в самых разных областях — от зондирования до передачи сообщений.

«Эта работа может привести к первой экспериментальной реализации фотонных временных кристаллов, что даст толчок к их практическому применению и потенциально преобразует промышленность, — говорит Виктар Асадчи, доцент Университета Аалто, Финляндия. — 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».

Фотонные временные (темпоральные) кристаллы — уникальный тип оптических материалов. В отличие от обычных кристаллов, которые имеют повторяющиеся структуры в пространстве, эти кристаллы остаются пространственно однородными, но периодически колеблются во времени.

Это свойство создает «импульсные разрывы» — состояния, в которых свет фактически замирает внутри кристалла, в то время как его интенсивность растет по экспоненте. Одно из потенциальных применений фотонных кристаллов времени — нано-зондирование.

«Представьте, что мы хотим обнаружить присутствие маленькой частицы, например вируса, загрязнителя или биомаркера для таких заболеваний, как рак. При активации 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 Асадчи.

Создание фотонных временных кристаллов для видимого света долгое время оставалось сложной задачей из-за необходимости чрезвычайно быстрого и одновременно большого амплитудного изменения свойств материала.

На сегодняшний день наиболее продвинутая экспериментальная демонстрация фотонных временных кристаллов, разработанная членами той же исследовательской группы, была ограничена гораздо более низкими частотами, такими как микроволны. В своей последней работе команда предлагает первый практический подход к созданию «истинно оптических» фотонных кристаллов времени с использованием теоретических моделей и электромагнитного моделирования.

Используя набор крошечных кремниевых сфер, исследователи предсказывают, что особые условия, необходимые для усиления света, которые ранее были недостижимы, наконец могут быть воссозданы в лаборатории с помощью известных оптических методов.

Ранее исследователи из Швеции разработали новую систему оптических каналов связи, которая может рекордно ускорить передачу данных со спутников. Изобретение сочетает в себе бесшумный усилитель и сверхчувствительный приемник, что делает связь быстрее и надежнее.