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Dec 08, 2023

フォトニックタイムクリスタルがマイクロ波を増幅

Un importante ostacolo alla creazione di cristalli temporali fotonici in laboratorio è stato superato

実験室でフォトニックタイム結晶を作成する際の大きな障壁は、フィンランド、ドイツ、米国の研究者チームによって克服されました。 アアルト大学のセルゲイ・トレチャコフらは、これらのエキゾチックな材料の時間変化する特性が、3D よりも 2D の方がはるかに簡単に実現できることを示しました。

2012 年にノーベル賞受賞者のフランク・ウィルチェクによって初めて提案されたタイムクリスタルは、ユニークで多様な人工材料のファミリーです。 それらの詳細と物理学への広範な影響については、Philip Ball による Physics World の記事で読むことができます。しかし、一言で言えば、それらは時間の経過とともに周期的に変化する特性を持っています。 これは、空間内で周期的に変化する特性を持つ従来の結晶とは異なります。

フォトニックタイムクリスタル (PhTC) では、さまざまな特性は、材料が入射電磁波とどのように相互作用するかに関係しています。 「これらの材料のユニークな特性は、フォトニック時間結晶内の波のエネルギーが保存されないため、入ってくる波を増幅する能力です」とトレチャコフは説明します。

この特性は、特定の運動量範囲内の光子の伝播が禁止される、PhTC の「運動量バンドギャップ」の結果です。 PhTC の独特の特性により、これらのバンドギャップ内の電磁波の振幅は時間の経過とともに指数関数的に増加します。 対照的に、規則的な空間フォトニック結晶 PhTC に形成される類似の周波数バンドギャップにより、時間の経過とともに波が減衰します。

PhTC は現在、理論研究の人気の対象となっています。 これまでの計算によれば、これらの時間結晶は独特の一連の特性を持っていることが示唆されています。 これらには、エキゾチックなトポロジー構造や、自由電子や原子からの放射線を増幅する能力が含まれます。

しかし、実際の実験では、3D PhTC の体積全体のフォトニック特性を調整することは非常に難しいことが判明しています。 課題には、過度に複雑なポンピング ネットワークの作成が含まれます。ポンピング ネットワーク自体が、材料中を伝播する電磁波との寄生干渉を引き起こします。

トレチャコフのチームは研究の中で、この問題に対する簡単な解決法を発見しました。 「私たちはフォトニック時間結晶の次元を 3D から 2D に縮小しました。3D 構造に比べて 2D 構造の構築がはるかに簡単だからです」と彼は説明します。

チームのアプローチの成功の鍵は、サブ波長サイズの構造の 2D アレイから作られたマテリアルであるメタサーフェスの独特の物理学にあります。 これらの構造は、非常に具体的で有用な方法で入ってくる電磁波の特性を操作するために、サイズ、形状、配置を調整できます。

新しいマイクロ波メタ表面設計を作製した後、研究チームは、その運動量バンドギャップがマイクロ波を指数関数的に増幅することを示しました。

これらの実験は、時間変化するメタサーフェスが 3D PhTC の重要な物理的特性を保存できることを明確に実証しましたが、さらに重要な利点が 1 つあります。 「私たちの2Dバージョンのフォトニック時間結晶は自由空間波と表面波の両方を増幅できますが、3D対応物は表面波を増幅できません」とトレチャコフ氏は説明する。

3D タイムクリスタルに比べて多くの利点があるため、研究者らは、その設計に幅広い技術応用の可能性を想定しています。

「将来的には、当社の2Dフォトニックタイムクリスタルは、次期6G帯域などのマイクロ波やミリ波の周波数で再構成可能なインテリジェント表面に統合される可能性があります」とトレチャコフ氏は言う。 「これにより、無線通信の効率が向上する可能性があります。」

彼らのメタマテリアルはマイクロ波を操作するために特別に設計されているが、研究者らはメタサーフェスをさらに調整することで、その使用を可視光にも拡張できることを期待している。 これは、新しい高度な光学材料の開発への道を開くでしょう。

さらに将来を見据えて、トレチャコフらは、2D PhTC がさらに難解な「時空結晶」を作成するための便利なプラットフォームを提供できる可能性があると示唆しています。 これらは、時間と空間で同時に繰り返しパターンを示す仮説的なマテリアルです。

この研究については、『Science Advances』で説明されています。