首个全光子时间晶体有望催生超高速计算机、自适应通信以及全新类型的激光器。
太赫兹电磁波可诱导产生强而快的瞬态调制，从而实现光子时间晶体：一种光子时间晶格。图源：B. Schröder/HZDR
一个国际研究团队实验性地制备出了首个全光子时间晶体（PTC），这种材料能够随时间快速且反复地改变其光学特性。该研究团队的研究人员来自巴黎综合理工学院、法兰西学院和德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹研究中心（HZDR）。
这项成果发表在《自然》杂志上，得益于亥姆霍兹德累斯顿研究中心（HZDR）强大的TELBE超辐射太赫兹光源。该系统使科学家们得以探索此前难以触及的太赫兹波段光与物质相互作用。未来，该方法有望应用于超高速光计算机、先进通信以及全新的太赫兹激光器等领域。
控制光在物质内部的行为已经催生出许多塑造现代生活的技术。光纤在通信网络中传输信息，激光器提供高精度光源，光学传感器在化学和生物学领域得到广泛应用。
探索太赫兹技术前沿
在巴黎综合理工学院，助理教授 Yannis Laplace 和他在辐照固体实验室 (LSI) 的团队正在研究能够控制太赫兹 (THz) 频率范围内光的器件。
电磁波谱中这一尚未得到充分利用的部分介于传统电子学和光子学之间。由于太赫兹频率比电子元件使用的频率快1000倍，有望为探测和操控物质提供强大的新方法，因此该领域的研究进展迅速。
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拉普拉斯解释说：“太赫兹波段代表了电子技术和光子技术的交汇点。它为科学和社会都带来了无限机遇，但与电子技术和光子技术相比，其技术发展仍不成熟。制造光子晶体有望弥合这一差距。”
控制光线随时间变化
传统光子晶体是一种纳米结构材料，其内部包含重复的光学图案（类似于晶格），这种图案决定了光子在其中的传播方式。通过精心排列不同形状和折射率的材料，科学家可以阻挡、引导或增强特定波长的光。从这个意义上讲，光子晶体对光子的控制方式类似于半导体对电子的控制。
该团队早期的实验表明，温度和磁场可以改变光子晶体捕获光的能力。然而，一旦这些条件确定下来，其光学特性便会随时间保持不变。
这种新型器件更进一步。它的光学特性（例如反射率、共振频率）可以在皮秒时间尺度上动态改变，接近光自身振荡的时间尺度。与仅依赖于空间排列的图案不同，这种光子时间晶体引入了时间上的重复图案。
“通过将光子晶体从空间扩展到时间，我们为光控制开辟了一个新的维度，并为放大和激光化开辟了一条新途径。这可能会彻底改变太赫兹及更高频率的光学技术，”巴黎综合理工学院博士生、该论文的第一作者郭廷文解释道。
构建一种能捕获光线的超材料
实现如此快速的控制需要高度专业化且复杂的装置。在泰雷兹阿尔伯特·费尔实验室和蒙特利尔理工学院界面物理实验室（PICM）的支持下，研究人员构建了一种被称为“等离子体超材料”的光子晶体。
这种材料包含微米级的金质锯齿状结构，这些结构位于绝缘层和由铟锑混合物制成的半导体层之上。金质结构形成微小的空腔，将光线限制在金层和半导体层之间。
当半导体表面受到激发时，会产生“表面等离子体激元”，这是一种能够捕获光并维持其振荡的电子集体波。这种相互作用为研究人员提供了一种以极快的速度操控被捕获光子的方法。
光学性质在皮秒内发生变化
研究团队利用亥姆霍兹德累斯顿研究中心 (HZDR) 的 ELBE 加速器产生的太赫兹激光脉冲对该器件进行了照射。由于该光源能够产生强度很高的太赫兹辐射，并且可以调谐到不同的频率，研究人员得以迅速而显著地改变材料的光学特性，尤其是其反射率。
同时实现这两种效果曾是一项重大的技术难题。这种变化的强度相当于强迫物体发出完全不同的颜色，而转变过程却发生在皮秒级——十亿分之一秒的十亿分之一秒。
“TELBE 产生高场强、相位稳定的太赫兹脉冲的独特能力至关重要，”TELBE 设施协调员 Jan-Christoph Deinert 证实道。“如果没有这套基础设施，实现 PTC 机制所需的相干超快调制是不可能的。”
一个模型解释了光子的行为
法国学院研究科学家 Marco Schiró 和他的团队开发的理论模型支持了实验结果，并有助于解释光子在设备内部的行为。
计算结果还表明，随着时间的推移改变材料，可以使光子耗散减少一半。在此语境下，耗散指的是未被反射而是穿过超材料表面的光子部分。
“该理论不仅重现了实验结果，而且为指导未来在该系统中的发现提供了基础，”希罗欣喜地说。
迈向超快激光器和光计算机
研究人员现在希望进一步降低光子损耗，并增加晶体内容纳的光子数量。如果他们能够实现足够强的放大，该装置有望成为高度适应性新型激光器的基础。
光子时间晶体最终可能会改变光在技术领域的应用方式，尤其是在太赫兹波段。它们能够在极短的时间尺度上改变光，这有望为用于医学成像和通信的超快激光器提供支持。
这项技术或许还能实现对光线“颜色”或强度等特性的近乎瞬时按需调节。这种控制水平有望带来更快、更智能、更灵活的光学系统证券开户。
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