Araştırmacılar fotonik zaman kristalleri yapmak için bir yöntem keşfettiler ve bu garip, insan yapımı maddelerin üzerlerinde parlayan ışığı artırabildiğini gösterdiler. Science Advances dergisinde yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak açıklanan bu keşifler, çok daha iyi lazerler ve daha etkili ve güvenilir kablosuz iletişimle sonuçlanabilir.
Nobel ödüllü Frank Wilczek ilk olarak 2012 yılında zaman kristallerini önermişti. Sıradan, günlük kristallerde yapısal bir desen uzayda tekrar eder, ancak bir zaman kristalinde yapısal desen zamanda tekrar eder. Zaman kristalleri, bazı fizikçilerin başlangıçtaki şüpheciliğine rağmen, son testlerde başarıyla oluşturuldu. Aalto Üniversitesi’ndeki Düşük Sıcaklık Laboratuvarı geçen yıl kuantum cihazları için faydalı olabilecek eşleştirilmiş zaman kristalleri üretti.
Optik malzemelerin zamana dayalı yinelemeleri olan fotonik zaman kristalleri şimdi farklı bir ekip tarafından yaratıldı. Bilim insanları mikrodalga ile çalışan fotonik zaman kristalleri geliştirdiler ve kristallerin elektromanyetik dalgaları güçlendirebildiğini gösterdiler. Bu becerinin potansiyel kullanım alanları arasında diğer teknolojilerin yanı sıra kablosuz iletişim, entegre devreler ve lazerler yer alıyor.
Şimdiye kadar fotonik zaman kristalleri üzerine yapılan çalışmaların çoğu yığın malzemeler ya da üç boyutlu yapılar üzerineydi. Denemeler, gerçek dünyada uygulanabilirliği olmayan model sistemleri geçemedi çünkü bunun çok zor olduğu görüldü. Sonuç olarak, Stanford Üniversitesi, Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) ve Aalto Üniversitesi’nden akademisyenleri içeren grup yeni bir strateji araştırdı: iki boyutlu bir fotonik zaman kristali olan bir metasurface oluşturmak.
Çalışmanın baş yazarı, Aalto’da eski bir doktora öğrencisi ve şu anda KIT çalışanı olan Xuchen Wang’a göre, “Boyutluluğu 3D’den 2D yapıya indirmenin uygulamayı önemli ölçüde kolaylaştırdığını gördük, bu da fotonik zaman kristallerini gerçekte gerçekleştirmeyi mümkün kıldı.”
Bu yeni strateji, grubun fotonik bir zaman kristali yaratmasına ve teori tarafından yapılan davranış tahminlerini deneysel olarak doğrulamasına olanak sağladı. Wang, “ilk kez fotonik zaman kristallerinin gelen ışığı yüksek kazançla yükseltebileceğini gösterdik” diyor.
Fotonlar, fotonik zaman kristalinde zaman boyunca tekrar eden bir düzende düzenlenmiştir. Wang, bunun kristaldeki fotonların koordine ve senkronize olduğunu gösterdiğini, bunun da pozitif girişim ve ışık amplifikasyonu ile sonuçlanabileceğini söylüyor. Fotonların periyodik yapısı, amplifikasyonu güçlendirecek şekilde etkileşime girmelerine olanak tanıyor.
Elektromanyetik Radyasyonun Güçlendirerilmesi
İki boyutlu fotonik zaman kristalleri için çeşitli potansiyel kullanım alanları vardır. Elektromanyetik radyasyonu güçlendirerek kablosuz vericilerin ve alıcıların gücünü veya etkinliğini artırabilirler. Wang, kablosuz iletimde kritik bir sorun olan sinyal bozulmasının, yüzeylerin 2D fotonik zaman kristalleri ile kaplanmasıyla azaltılabileceğini belirtiyor.
Fotonik zaman kristalleri, normalde lazer boşluklarında kullanılan yığın aynalara olan gereksinimi ortadan kaldırarak lazer tasarımlarını da daha basit hale getirebilir.
2D fotonik zaman kristallerinin yüzey üzerinde hareket eden elektromanyetik dalgaların yanı sıra serbest uzayda onlara çarpan dalgaları da geliştirdiğinin keşfi, başka bir kullanımın kapısını açıyor. Entegre devrelerde, yüzey dalgaları elektrikli bileşen iletişimi için kullanılır. Bir yüzey dalgası yayılma sırasında maddi kayıplar yaşar ve bu da sinyalin gücünü düşürür. Wang, 2D fotonik zaman kristallerinin sisteme dahil edilmesiyle yüzey dalgasının güçlendirilebileceğini ve iletişim etkinliğinin artırılabileceğini iddia ediyor.
Kaynak: nanotechnologyworld – Metasurface-based realization of photonic time crystals
Xuchen Wang, Mohammad Sajjad Mirmoosa, Viktar S. Asadchy, Carsten Rockstuhl, Shanhui Fan, Sergei A. Tretyakov
