光子时空晶体代表了先进材料的一个新领域，这些材料可以提高无线通信和激光系统的有效性和效率。这些材料在三维空间和时间中展示出重复的结构，从而允许对光的特性进行精细控制。来自卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科学家团队与阿尔托大学、芬兰东部大学以及中国哈尔滨工程大学合作，展示了这些四维材料的实际应用。他们的研究结果发表在《自然光子学》期刊上。
光子时间晶体是其在空间中成分一致但性质随时间周期性变化的物质。这种时间变化有助于调制和放大光的光谱特性，对于光学信息处理至关重要。KIT理论固态物理研究所和纳米技术研究所的卡斯滕·罗克施图尔教授指出：“这给我们带来了新的机会，但也带来了重大挑战。”他表示，这项研究为在信息处理系统中利用和增强不同频率光的可能性打开了大门。
朝着四维光子晶体迈进一步
光子时间晶体的一个关键特征是其动量空间带隙。动量描述光传播的方向。带隙指示光必须采取的扩增方向，带隙越宽，扩增能力越强。研究的主要作者之一普尼特·戈尔解释道：“在过去，我们需要增强材料特性，如折射率的周期性变化，以实现宽带隙。只有这样，光才能被放大。然而，大多数材料对此的选择有限，这就构成了一个相当大的挑战。”
研究人员通过结合光子时间晶体和额外的空间结构找到了解决方案。他们通过结合由硅球构成的光子时间晶体，开发了“光子时空晶体”，使其能够“捕获”光的时间比以往任何时候都要长。这种延长的相互作用使光对材料特性的周期性变化做出更加有效的响应。“我们谈论的是增强光与物质之间相互作用的共振，”另一位主要作者王旭臣评论道。“在这种高度调谐的系统中，带隙几乎涵盖了整个动量空间，允许光在任何传播方向上被放大。这可能是这些创新光学材料实际应用的一个关键突破。”
罗克施图尔评论道：“我们对光子材料的这一进展感到兴奋，并期待观察我们研究的长期效果。现在，现代光学材料研究的巨大潜力可以得以实现。”他补充道：“这个概念不仅限于光学和光子学；它在许多物理系统中具有潜在的应用，并可能在各个领域激发新的研究。”
这项研究是在“波现象：分析与数值”合作研究中心进行的，该中心由德国研究基金会（DFG）支持，是赫尔姆霍兹协会信息研究领域的一部分。
