Szybciej, niż można to wytłumaczyć: optyczne kryształy czasu mogą zrewolucjonizować optykę

Niedawne badania wykazały, że oscylacje współczynnika załamania światła występują szybciej, niż można to wytłumaczyć obecnymi teoriami.

Badanie opublikowane niedawno w czasopiśmie Nanofotonika Pokazuje, że szybko dostosowując współczynnik załamania światła – stosunek prędkości promieniowania elektromagnetycznego w ośrodku do jego prędkości w próżni – możliwe jest wytworzenie fotonicznych kryształów czasu (PTC) w prawie widzialnej części widma .

Autorzy badania sugerują, że zdolność do zachowania PTC w polu optycznym może mieć głębokie implikacje dla fotoniki, umożliwiając w przyszłości naprawdę przełomowe zastosowania.

PTC, materiały, których współczynnik załamania światła szybko rośnie i spada w czasie, są czasowym odpowiednikiem kryształów fotonicznych, których współczynnik załamania światła okresowo oscyluje w przestrzeni, powodując na przykład opalizację metali szlachetnych i skrzydeł owadów.

Eksperymentalna konfiguracja refraktometrii w systemie jednocyklowym. Źródło: Iran Lustig i in.

PTC jest stabilny tylko wtedy, gdy współczynnik załamania światła może rosnąć i opadać zgodnie z pojedynczym cyklem fal elektromagnetycznych o danej częstotliwości, zatem nie jest zaskoczeniem, że PTC obserwowano dotychczas w dolnej części widma elektromagnetycznego : z falami radiowymi.

W nowym badaniu główny autor Mordechai Segev z Technion-Israel Institute of Technology w Hajfie w Izraelu wraz ze współpracownikami Vladimirem Shalevem i Alexandrą Poltasevą z Purdue University w stanie Indiana w USA oraz ich zespołami przesłali niezwykle krótkie (5-6 femtosekundowe ) impulsy światła Laser o długości fali 800 nm poprzez przezroczyste, przewodzące materiały tlenkowe.

Spowodowało to szybką zmianę współczynnika załamania światła, co zbadano za pomocą sondy laserowej o nieco większej długości fali (bliskiej podczerwieni). Wiązka sondy szybko zmieniła kolor na czerwony (zwiększając długość fali), a następnie na niebieski (zmniejszając długość fali), gdy współczynnik załamania światła materiału spadł do normalnej wartości.

Spektrogramy transmisyjne impulsów sondy o długości 44 fs przechodzących przez próbkę ITO w celu modulowania impulsów o różnych szerokościach czasowych. Źródło: Iran Lustig i in.

Czas potrzebny na każdą z tych zmian współczynnika załamania światła był niewielki — mniej niż 10 femtosekund — a zatem mieścił się w jednym cyklu potrzebnym do utworzenia stabilnego PTC.

„Wysokoenergetycznie wzbudzone elektrony w kryształach na ogół potrzebują ponad dziesięciokrotnie więcej czasu, aby powrócić do stanu podstawowego, a wielu badaczy uważa, że ​​ultraszybka relaksacja, którą tu obserwujemy, byłaby niemożliwa” – powiedział Segev. „Nie rozumiemy dokładnie, jak to się dzieje”.

Współautor Shalev sugeruje również, że możliwość zachowania PTC w domenie optycznej, jak pokazano tutaj, „otworzy nowy rozdział w nauce o fotonice i umożliwi naprawdę przełomowe zastosowania”. Jednak niewiele wiemy o tym, jak mogłoby to wyglądać, ponieważ fizycy w latach 60. XX wieku wiedzieli o potencjalnych zastosowaniach laserów.

Odniesienie: „Optyka czasowo-refrakcyjna z modulacją jednocyklową” autorstwa Erana Lustiga, Ohada Segala, Sohama Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Choudary, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltaseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev, Mordechai Segev, 31 maja 2023 r., Nanofotonika.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Badania sfinansowała Niemiecka Fundacja Badawcza.