Ένας νέος τύπος κρυστάλλου που κάνει ενδιαφέροντα πράγματα στο φως έχει δημιουργηθεί: ScienceAlert

Οι επιστήμονες εξακολουθούν να παλεύουν με τα μέσα και τα έξω των εξωτικών υλικών που είναι γνωστά ως κρύσταλλοι χρόνου. Κατασκευές που είναι για πάντα πολύβουες. Τώρα η νέα ποικιλομορφία μπορεί να βοηθήσει στην εμβάθυνση της κατανόησής μας για την αινιγματική κατάσταση της ύλης.

Ακριβώς όπως οι συνηθισμένοι κρύσταλλοι είναι άτομα και μόρια που επαναλαμβάνονται σε μια περιοχή του χώρου, οι κρύσταλλοι χρόνου είναι συλλογές σωματιδίων που συμπλέκονται σε μοτίβα για μια χρονική περίοδο με τρόπους που στην αρχή φαίνεται να αψηφούν την επιστήμη.

Θεωρητικοποιημένο το 2012 προτού παρατηρηθεί για πρώτη φορά στο εργαστήριο μόλις τέσσερα χρόνια αργότερα, οι ερευνητές ήταν απασχολημένοι με τη διόρθωση των δομών για να εξερευνήσουν βαθύτερα θεμέλια της σωματιδιακής φυσικής και να αποκαλύψουν πιθανές εφαρμογές.

Σε αυτή την τελευταία μελέτη, δημιουργήθηκε ένας νέος τύπος «φωτονικού» κρυστάλλου χρόνου. Λειτουργώντας σε συχνότητες μικροκυμάτων, είναι ικανό να διαμορφώνει και να ενισχύει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, υπόσχοντας μελλοντικές εφαρμογές σε συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, ανάπτυξη λέιζερ και ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Σε έναν φωτονικό κρύσταλλο χρόνου, τα φωτόνια είναι διατεταγμένα σε ένα μοτίβο που επαναλαμβάνεται με την πάροδο του χρόνου. Αυτος λεει Επικεφαλής συγγραφέας Xuchen Wang, νανομηχανικός από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης στη Γερμανία.

«Αυτό σημαίνει ότι τα φωτόνια στον κρύσταλλο είναι ταυτόχρονα και συνεκτικά, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε εποικοδομητική παρεμβολή και ενίσχυση του φωτός».

Επιπλέον, η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ταξιδεύουν κατά μήκος των επιφανειών μπορούν να ενισχυθούν καθώς και τα κύματα από το περιβάλλον.

Στο επίκεντρο της έρευνας βρίσκεται μια δισδιάστατη προσέγγιση που βασίζεται σε εξαιρετικά λεπτά φύλλα συνθετικού υλικού γνωστά ως επιφάνειες. Προηγουμένως, η έρευνα στους φωτονικούς κρυστάλλους χρόνου γινόταν με τεράστια τρισδιάστατα υλικά: η κατασκευή και η μελέτη αυτών των υλικών είναι πολύ δύσκολη για τους επιστήμονες, αλλά η μετάβαση σε 2D σημαίνει έναν ταχύτερο και ευκολότερο τρόπο για τη διεξαγωγή πειραμάτων και την ανακάλυψη πώς αυτοί οι κρύσταλλοι μπορούν να εφαρμοστούν στην πραγματικότητα – παγκόσμιες ρυθμίσεις.

Αν και είναι απλούστερες από τις πλήρεις τρισδιάστατες δομές, μοιράζονται ορισμένες σημαντικές ιδιότητες με τους φωτονικούς κρυστάλλους χρόνου και μπορούν να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά τους — συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο αλληλεπιδρούν με το φως. Είναι η πρώτη φορά που αποδεικνύεται ότι οι κρύσταλλοι χρόνου φωτονίων ενισχύουν το φως με αυτόν τον συγκεκριμένο τρόπο και σε τόσο μεγάλο βαθμό.

«Διαπιστώσαμε ότι η μείωση των διαστάσεων από μια τρισδιάστατη σε μια δισδιάστατη δομή έκανε την υλοποίηση σημαντικά πιο εύκολη, καθιστώντας δυνατή την επίτευξη φωτονικών κρυστάλλων χρόνου στην πράξη», είπε. Αυτος λεει Wang.

Ενώ οι εφαρμογές του πραγματικού κόσμου είναι ακόμη αρκετά μακριά, η προσέγγιση της χρήσης 2D μεταεπιφανειών ως μέθοδος για την παραγωγή και την εξέταση κρυστάλλων χρόνου φωτονίων θα καταστήσει αυτό το είδος έρευνας πολύ πιο ουσιαστικό στο μέλλον.

Η ανακάλυψη της ενίσχυσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων κατά μήκος των επιφανειών, για παράδειγμα, θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει στη βελτίωση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που βρίσκονται παντού, από τηλέφωνα μέχρι αυτοκίνητα: η επικοινωνία μέσα σε τέτοια κυκλώματα είναι πιθανό να είναι ταχύτερη και πιο ομαλή.

Στη συνέχεια, υπάρχουν ασύρματες συνδέσεις που μπορεί να υποφέρουν από τη μείωση του σήματος σε απόσταση (γι’ αυτό μπορεί να μην μπορείτε να αποκτήσετε Wi-Fi στο πάνω μέρος του σπιτιού σας). Η επίστρωση επιφανειών με 2D φωτονικούς κρυστάλλους χρόνου υπόσχεται να βελτιώσει αυτή την κατάσταση.

“Όταν ένα επιφανειακό κύμα διαδίδεται, υφίσταται φυσικές απώλειες και η ισχύς του σήματος μειώνεται.” Αυτος λεει Φυσικός Viktor Asdashi του Πανεπιστημίου Aalto στη Φινλανδία.

«Με την ενσωμάτωση δισδιάστατων οπτικών κρυστάλλων χρόνου στο σύστημα, το επιφανειακό κύμα μπορεί να ενισχυθεί, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα της επικοινωνίας».

Έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Η επιστήμη προχωρά.