15 Jun Zweidimensionaler photonischer Zeitkristall
Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben einen zweidimensionalen photonischen Zeitkristall hergestellt und wichtige Anwendungen demonstriert. Zeitkristalle, die im weitesten Sinne zu den Metamaterialien gehören, ändern ihre Eigenschaften nicht im Raum, sondern periodisch in der Zeit. Photonische Zeitkristalle können künftig zur Verbesserung drahtloser Kommunikationssignale beitragen und eine neue Generation von Lasern ermöglichen, da Licht, das sich in ihnen ausbreitet, effektiv verstärkt werden kann.
Bisher konzentrierte sich die Forschung an photonischen Zeitkristallen auf Volumenmaterialien, also dreidimensionale Strukturen; zu praktischen Anwendungen kam es noch nicht. Forschende vom Institut für Nanotechnologie und vom Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP) des KIT haben nun zusammen mit Partnern der Aalto University in Finnland und der Stanford University in den USA einen zweidimensionalen photonischen Zeitkristall in Form einer sehr dünnen Schicht erzeugt.
Effizienter kommunizieren
„Wir haben festgestellt, dass die Reduktion von einer 3-D- auf eine 2-D-Struktur die Implementierung erheblich vereinfacht. Dadurch wurde es möglich, photonische Zeitkristalle zu realisieren“, erklärt Dr. Xuchen Wang, der zurzeit am TFP forscht. Die zweidimensionale elektromagnetische Struktur enthält abstimmbare Komponenten, die ihre elektromagnetischen Eigenschaften periodisch mit der Zeit ändern. Laut Wang wird erstmals eine starke Wellenverstärkung in photonischen Zeitkristallen möglich.
Die Entwicklung ermöglicht Fortschritte beispielsweise bei der drahtlosen Kommunikation, bei integrierten Schaltkreisen und bei Lasern. Mittels Verstärkung elektromagnetischer Wellen können drahtlose Sender und Empfänger künftig leistungsfähiger und effizienter werden. Außerdem soll die Beschichtung von Oberflächen mit photonischen 2-D-Zeitkristallen den Signalabfall bei der drahtlosen Übertragung verringern. Zweidimensionale photonische Zeitkristalle besitzen nach Ansicht der Forscher auch das Potenzial, die Konstruktion von Lasern vereinfachen, da die komplexen Spiegelsysteme der Laserresonatoren nicht mehr erforderlich wären.
Eine weitere wichtige Anwendung ergibt sich aus der Erkenntnis, dass photonische Zeitkristalle in 2-D nicht nur die eintreffenden elektromagnetischen Wellen im freien Raum verstärken, sondern auch Oberflächenwellen, die für die Kommunikation zwischen elektronischen Komponenten in integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Oberflächenwellen leiden unter Verlusten durch Absorption im Material, welche die Signalstärke verringern. „Durch den Einsatz von zweidimensionalen photonischen Zeitkristallen, die das Ausbreitungsmedium bedecken, lässt sich die Oberflächenwelle verstärken, was die Kommunikationseffizienz verbessert“, sagt Xuchen Wang.
Originalpublikation
[Xuchen Wang, Mohammad Sajjad Mirmoosa, Viktar S. Asadchy, Carsten Rockstuhl, Shanhui Fan, Sergei A. Tretyakov: Metasurface-Based Realization of Photonic Time Crystals; Science Advances, 2023, DOI: 10.1126/sciadv.adg7541]
Quelle: www.kit.edu
Bild: Dr. Xuchen Wang, KIT
