Πιο γρήγορα από ό, τι μπορεί να εξηγηθεί: Οι φωτονικοί κρύσταλλοι χρόνου θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στην οπτική

Μια πρόσφατη μελέτη αποκάλυψε ταχύτερες ταλαντώσεις με δείκτη διάθλασης από ό,τι μπορεί να εξηγηθεί από τις τρέχουσες θεωρίες.

Μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό νανοφωτονικά Αποκαλύπτει ότι ρυθμίζοντας γρήγορα τον δείκτη διάθλασης – τον λόγο της ταχύτητας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ένα μέσο σε σύγκριση με την ταχύτητά του στο κενό – είναι δυνατό να παραχθούν φωτονικοί κρύσταλλοι χρόνου (PTC) στο σχεδόν ορατό τμήμα του φάσματος .

Οι συγγραφείς της μελέτης προτείνουν ότι η ικανότητα διατήρησης των PTC στο οπτικό πεδίο θα μπορούσε να έχει βαθιές επιπτώσεις στη φωτονική, επιτρέποντας πραγματικά ανατρεπτικές εφαρμογές στο μέλλον.

Τα PTC, υλικά των οποίων ο δείκτης διάθλασης αυξάνεται και μειώνεται γρήγορα με την πάροδο του χρόνου, είναι το ισοδύναμο χρόνου των φωτονικών κρυστάλλων των οποίων ο δείκτης διάθλασης ταλαντώνεται περιοδικά στο διάστημα προκαλώντας, για παράδειγμα, τον ιριδισμό των πολύτιμων μετάλλων και των φτερών των εντόμων.

Πειραματική ρύθμιση για χρονικό διαθλασίμετρο σε σύστημα ενός κύκλου. Πίστωση: Iran Lustig et al.

Τα PTC είναι σταθερά μόνο εάν ο δείκτης διάθλασης μπορεί να αυξηθεί και να πέσει σύμφωνα με έναν κύκλο ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην εν λόγω συχνότητα. Επομένως, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τα PTC έχουν μέχρι στιγμής παρατηρηθεί στο άκρο χαμηλότερης συχνότητας του ηλεκτρομαγνητικού φάσμα: με ραδιοκύματα.

Σε αυτή τη νέα μελέτη, ο επικεφαλής συγγραφέας Mordechai Segev του Τεχνολογικού Ινστιτούτου Technion-Israel, Χάιφα, Ισραήλ, μαζί με τους συνεργάτες Vladimir Shalev και Alexandra Boltseva από το Πανεπιστήμιο Purdue, Ιντιάνα, ΗΠΑ, και οι ομάδες τους έστειλαν εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα (5-6 femtoseconds) παλμοί φωτός Λέιζερ με μήκος κύματος 800 nm μέσω διαφανών αγώγιμων υλικών οξειδίου.

Αυτό προκάλεσε μια ταχεία μετατόπιση του δείκτη διάθλασης που εξερευνήθηκε με μια δέσμη λέιζερ ανιχνευτή σε ένα ελαφρώς μεγαλύτερο μήκος κύματος (σχεδόν υπέρυθρο). Η δέσμη του ανιχνευτή μετατοπίστηκε γρήγορα προς το κόκκινο (αυξάνοντας το μήκος κύματος της) και στη συνέχεια μπλε (το μήκος κύματος μειώνεται) καθώς ο δείκτης διάθλασης του υλικού έπεφτε στην κανονική του τιμή.

Φασματογράμματα μετάδοσης παλμών ανιχνευτή 44 fs που διήλθαν από δείγμα ITO, διαμορφώνοντας παλμούς διαφορετικών χρονικών πλάτη. Πίστωση: Iran Lustig et al.

Ο χρόνος που χρειάστηκε για καθεμία από αυτές τις αλλαγές στο δείκτη διάθλασης ήταν μικρός – λιγότερο από 10 femtoseconds – και έτσι, εντός του ενός κύκλου που χρειαζόταν για να σχηματιστεί ένα σταθερό PTC.

“Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στους κρυστάλλους γενικά χρειάζονται περισσότερο από δέκα φορές περισσότερο χρόνο για να χαλαρώσουν πίσω στη βασική τους κατάσταση και πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι η εξαιρετικά γρήγορη χαλάρωση που παρατηρούμε εδώ θα ήταν αδύνατη”, είπε ο Segev. «Δεν καταλαβαίνουμε ακριβώς πώς συμβαίνει αυτό».

Ο συν-συγγραφέας Shalev σημειώνει επίσης ότι η ικανότητα διατήρησης των PTC στο οπτικό πεδίο, όπως αποδεικνύεται εδώ, «θα ανοίξει ένα νέο κεφάλαιο στην επιστήμη της φωτονικής και θα επιτρέψει πραγματικά ανατρεπτικές εφαρμογές». Ωστόσο, γνωρίζουμε ελάχιστα για το τι μπορεί να είναι αυτό, αφού στη δεκαετία του 1960 οι φυσικοί γνώριζαν για τις πιθανές εφαρμογές των λέιζερ.

Παραπομπή: “Time-refractive optics with single-cycle modulation” από τους Eran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Choudary, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltaseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev και Mordechai Segev, 31 Μαΐου 2023, Νανοφωτονικά.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Γερμανικό Ίδρυμα Ερευνών.