Kryształy czasowe mogą zrewolucjonizować komunikację bezprzewodową i lasery

Naukowcy stworzyli fotoniczne kryształy czasowe, wzmacniające światło, które na nie świeci. Mimo iż brzmi to skomplikowanie, to może przyczynić się do stworzenia wydajniejszych systemów komunikacji bezprzewodowej oraz lepszych laserów.
Fot. Freepik

Fot. Freepik

Kryształy czasowe, choć zaproponowane w 2012 r. przez noblistę prof. Franka Wilczka, przez dług czas istniały w świadomościach fizyków jako struktury teoretyczne. W 2014 r. prof. Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego wykazał, że układ oddziałujących atomów periodycznie zaburzany może zachowywać się jak dyskretny kryształ czasowy. Ale co to właściwie jest?

Czytaj też: Organy z drukarki 3D nadchodzą. Ten biotusz może zapoczątkować rewolucję

“Zwykłe” kryształy powstają, gdy między atomami dochodzi do samoorganizacji i tworzą one powtarzające się struktury w przestrzeni. Są uporządkowane, a odległości pomiędzy poszczególnymi atomami są równe – podobnie jak w folii bąbelkowej mamy do czynienia z regularną siecią bąbelków. W przypadku kryształów czasowych struktura powtarza się nie w przestrzeni, a w czasie. Dopiero w 2022 r. naukowcy z Laboratorium Niskich Temperatur Uniwersytetu Aalto stworzyli sparowane kryształy czasowe, które mogą być przydatne w urządzeniach kwantowych.

Teraz inny zespół stworzył fotoniczne kryształy czasowe, które są czasowymi analogami konwencjonalnych materiałów optycznych. Działają na częstotliwościach mikrofalowych i mogą wzmacniać fale elektromagnetyczne. Ta zdolność ma potencjalne zastosowanie w różnych technologiach, w tym w komunikacji bezprzewodowej, układach scalonych i laserach. Opisano to w Science Advances.

Dwuwymiarowe kryształy czasowe wreszcie odnalezione

Dotychczas w badaniach nad fotonicznymi kryształami czasowymi wykorzystywano tzw. materiały sypkie, czyli struktury trójwymiarowe. Nie miały one jednak praktycznych zastosowań, a same eksperymenty były niezwykle żmudne. Teraz fińscy uczeni spróbowali innego podejścia: zbudowania fotonicznego kryształu czasowego 2D.

Odkryliśmy, że zmniejszenie wymiaru ze struktury 3D do 2D znacznie ułatwiło implementację, co umożliwiło realizację fotonicznych kryształów czasowych w rzeczywistości. dr Xuchen Wang, główny autor badania

Dzięki nowemu podejściu, możliwe jest stworzenie fotonicznego kryształu czasowego i weryfikację teoretycznych przewidywań dotyczących jego zachowania. Po raz pierwszy w historii wykazano, że takie struktury mogą wzmacniać padające światło.

Czytaj też: Bateria słoneczna oparta na fotoanodach z azotku węgla, czyli jak magazynować energię

Fotoniczne kryształy czasowe 2D mają szereg potencjalnych zastosowań. Dzięki wzmacnianiu fal elektromagnetycznych mogą sprawić, że bezprzewodowe nadajniki i odbiorniki byłyby wydajniejsze. Dwuwymiarowe fotoniczne kryształy czasowe mogą także uprościć budowę laserów i usprawnić działanie komponentów elektronicznych w układach scalonych.