Впервые создан фотонный кристалл времени: новый рубеж управления светом

Международная группа исследователей впервые экспериментально создала полностью оптический фотонный кристалл времени (PTC) — материал, способный быстро и многократно менять свои оптические свойства во времени. В работе приняли участие ученые из Политехнической школы, Коллеж де Франс и Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR).

Результаты, опубликованные в журнале Nature, были получены благодаря мощному терагерцовому источнику TELBE в HZDR. Система позволила ученым исследовать ранее недоступную форму взаимодействия света и материи в терагерцовом диапазоне. В будущем этот подход может способствовать созданию сверхбыстрых оптических компьютеров, передовых систем связи и совершенно новых терагерцовых лазеров.

Контроль над поведением света внутри материалов уже привел к появлению технологий, формирующих современную жизнь. Оптические волокна передают информацию в сетях связи, лазеры обеспечивают высокоточные источники света, а оптические датчики широко используются в химии и биологии.

Яннис Лаплас, доцент Политехнической школы, и его команда в Лаборатории облученных твердых тел (LSI) работают над фотонными устройствами, способными управлять светом в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. Эта largely неиспользуемая часть электромагнитного спектра находится между традиционной электроникой и фотоникой. Исследования в этой области быстро развиваются, поскольку терагерцовые частоты, в 1000 раз более высокие, чем используемые в электронных компонентах, могут предложить мощные новые способы изучения и манипулирования материей.

«ТГц-диапазон представляет собой границу между электронными и фотонными технологиями, — объясняет Лаплас. — Это диапазон, полный возможностей как для науки, так и для общества, но он все еще технологически недостаточно развит по сравнению с электрическими и фотонными аналогами. Создание фотонных кристаллов может проложить путь к преодолению этого разрыва».

Обычные фотонные кристаллы — это наноструктурированные материалы с повторяющимся оптическим рисунком (подобно решетке), определяющим движение фотонов. Аккуратно располагая материалы с различными формами и показателями преломления, ученые могут блокировать, направлять или усиливать выбранные длины волн света. Новое устройство идет гораздо дальше: его оптические свойства (например, отражательная способность, резонансная частота) могут динамически изменяться за пикосекунды, приближаясь к временному масштабу колебаний самого света. Вместо того чтобы полагаться только на узоры в пространстве, фотонный кристалл времени вводит повторяющийся узор во времени.

«Расширяя фотонные кристаллы от пространства ко времени, мы открываем новое измерение для управления светом — и новый путь к усилению и лазерной генерации. Это может кардинально изменить оптические технологии на терагерцовых частотах и за их пределами», — объясняет Тинвэнь Го, аспирант Политехнической школы и ведущий автор публикации.

Для создания такого быстрого управления потребовалось специализированное и сложное устройство. Исследователи сконструировали форму фотонного кристалла, известную как «плазмонный метаматериал». Материал содержит золотые зубчатые структуры микрометрового размера, расположенные над изолирующим слоем и полупроводником из смеси индия и сурьмы. Золотые структуры образуют крошечные полости, которые удерживают свет между золотом и полупроводником. Когда поверхность полупроводника возбуждается, она производит «поверхностные плазмоны» — коллективные волны электронов, которые могут захватывать свет и поддерживать его колебания.

Команда подвергла устройство воздействию терагерцовых лазерных импульсов, генерируемых TELBE на ускорителе ELBE в HZDR. Благодаря интенсивному и настраиваемому терагерцовому излучению исследователи смогли сильно и быстро изменять оптические свойства материала, особенно его отражательную способность. Достижение обоих эффектов одновременно было серьезным техническим препятствием. Сила изменения была сопоставима с принуждением объекта излучать совершенно другой цвет, а трансформация происходила в пикосекундном масштабе.

«Уникальная способность TELBE генерировать высокополевые, фазово-стабильные терагерцовые импульсы имела решающее значение, — подтвердил Ян-Кристоф Дайнерт, координатор объекта TELBE. — Без этой инфраструктуры достижение когерентной сверхбыстрой модуляции, необходимой для режима PTC, было бы невозможным».

Теоретическая модель, разработанная Марко Широ, научным сотрудником Коллеж де Франс, и его командой, подтвердила экспериментальные результаты и помогла объяснить поведение фотонов внутри устройства. Расчеты также показали, что изменение материала во времени вдвое сокращает диссипацию фотонов — долю фотонов, которые не отражаются, а проходят через поверхность метаматериала.

«Теория не только воспроизводит эксперимент, но и обеспечивает основу для руководства будущими открытиями в этой системе», — отметил Широ.

Исследователи теперь стремятся еще больше уменьшить диссипацию фотонов и увеличить количество фотонов, удерживаемых в кристалле. Если им удастся обеспечить достаточно сильное усиление, устройство может стать основой для новых высокоадаптируемых лазеров. Фотонные кристаллы времени могут в конечном итоге изменить способ использования света в технологиях, особенно в терагерцовом диапазоне. Их способность изменять свет за чрезвычайно короткие промежутки времени может поддержать сверхбыстрые лазеры для медицинской визуализации и связи. Технология также может позволить настраивать такие свойства, как «цвет» или интенсивность света, почти мгновенно и по требованию, что приведет к созданию более быстрых, умных и адаптируемых оптических систем.