Wissenschaftler ringen immer noch mit den Besonderheiten exotischer Materialien, die als Zeitkristalle bekannt sind. Strukturen, die immer geschäftig sind. Jetzt könnte die neue Vielfalt dazu beitragen, unser Verständnis des rätselhaften Zustands der Materie zu vertiefen.
So wie gewöhnliche Kristalle Atome und Moleküle sind, die sich über einen Bereich des Raums wiederholen, sind Zeitkristalle Ansammlungen von Partikeln, die sich über einen Zeitraum in Mustern verflechten, die zunächst der Wissenschaft zu widersprechen scheinen.
Im Jahr 2012 theoretisiert, bevor es nur vier Jahre später zum ersten Mal im Labor beobachtet wurde, waren Forscher damit beschäftigt, die Strukturen zu reparieren, um tiefere Grundlagen der Teilchenphysik zu erforschen und potenzielle Anwendungen aufzudecken.
In dieser neuesten Studie wurde eine neue Art von „photonischen“ Zeitkristallen geschaffen. Es arbeitet bei Mikrowellenfrequenzen und ist in der Lage, elektromagnetische Wellen zu modulieren und zu verstärken, was vielversprechende zukünftige Anwendungen in drahtlosen Kommunikationssystemen, Laserentwicklung und elektronischen Schaltungen darstellt.
In einem photonischen Zeitkristall sind Photonen in einem Muster angeordnet, das sich über die Zeit wiederholt. sagen Hauptautor Xuchen Wang, ein Nanoingenieur vom Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland.
„Das bedeutet, dass die Photonen im Kristall simultan und kohärent sind, was zu konstruktiver Interferenz und Lichtverstärkung führen kann.“
Darüber hinaus fand das Forschungsteam heraus, dass elektromagnetische Wellen, die entlang von Oberflächen wandern, ebenso verstärkt werden können wie Wellen aus der Umgebung.
Im Zentrum der Forschung steht ein zweidimensionaler Ansatz, der auf ultradünnen Kunststofffolien, sogenannten Oberflächen. Bisher wurde die Erforschung photonischer Zeitkristalle mit massiven 3D-Materialien durchgeführt: Die Herstellung und Untersuchung dieser Materialien ist für Wissenschaftler sehr schwierig, aber der Wechsel zu 2D bedeutet eine schnellere und einfachere Möglichkeit, Experimente durchzuführen – und herauszufinden, wie diese Kristalle in der Realität angewendet werden können -Welteinstellungen.
Obwohl sie einfacher sind als vollständige 3D-Strukturen, teilen sie einige wichtige Eigenschaften mit photonischen Zeitkristallen und können ihr Verhalten simulieren – einschließlich der Art und Weise, wie sie mit Licht interagieren. Es ist das erste Mal, dass gezeigt wurde, dass Photonenzeitkristalle Licht auf diese besondere Weise und in einem so großen Ausmaß verstärken.
„Wir fanden heraus, dass die Reduzierung der Abmessungen von einer 3D- auf eine 2D-Struktur die Implementierung erheblich vereinfachte und es ermöglichte, photonische Zeitkristalle in der Praxis zu erreichen“, sagte er. sagen Wang.
Während reale Anwendungen noch in weiter Ferne liegen, wird der Ansatz, 2D-Metaoberflächen als Methode zur Herstellung und Untersuchung von Photonenzeitkristallen zu verwenden, diese Art der Forschung in Zukunft viel aussagekräftiger machen.
Die Entdeckung der Verstärkung elektromagnetischer Wellen entlang von Oberflächen könnte beispielsweise letztendlich dazu beitragen, integrierte Schaltkreise zu verbessern, die überall von Telefonen bis zu Autos zu finden sind: Die Kommunikation innerhalb solcher Schaltkreise wird wahrscheinlich schneller und reibungsloser ablaufen.
Dann gibt es drahtlose Verbindungen, bei denen das Signal über die Entfernung schwinden kann (weshalb Sie möglicherweise kein WLAN im oberen Teil Ihres Hauses erhalten). Die Beschichtung von Oberflächen mit 2D-photonischen Zeitkristallen verspricht hier Abhilfe zu schaffen.
„Wenn sich eine Oberflächenwelle ausbreitet, erleidet sie physikalische Verluste und die Signalstärke nimmt ab“, sagen Physiker Viktor Asdashi von der Aalto-Universität in Finnland.
„Durch die Integration von zweidimensionalen optischen Zeitkristallen in das System kann die Oberflächenwelle verstärkt und die Kommunikationseffizienz verbessert werden.“
Forschung veröffentlicht in Wissenschaft schreitet voran.
