Быстрее, чем можно объяснить: фотонные кристаллы времени могут произвести революцию в оптике

Недавнее исследование выявило более быстрые колебания показателя преломления, чем можно объяснить современными теориями.

Исследование, недавно опубликованное в журнале нанофотоника Он обнаружил, что, быстро регулируя показатель преломления — который представляет собой отношение скорости электромагнитного излучения в среде к его скорости в вакууме — можно создавать фотонные кристаллы времени (ПТК) в ближней видимой части света. спектр.

Авторы исследования предполагают, что способность сохранять PTC в поле зрения может иметь глубокие последствия для науки фотоники, открывая возможности для поистине революционных приложений в будущем.

ПТК, материалы, показатель преломления которых быстро увеличивается и падает со временем, являются временным эквивалентом фотонных кристаллов, в которых показатель преломления периодически колеблется в пространстве, вызывая, например, переливчатость драгоценных металлов и крыльев насекомых.

Экспериментальная установка для временного рефрактометра в однотактной системе. Фото: Иран Люстиг и др.

ПТК стабильны только в том случае, если показатель преломления может повышаться и падать в соответствии с одним циклом электромагнитных волн на рассматриваемой частоте. Поэтому неудивительно, что ПТК до сих пор наблюдались на более низкочастотном конце электромагнитного диапазона. спектр: с радиоволнами.

В этом новом исследовании ведущий автор Мордехай Сегев из Израильского технологического института Технион, Хайфа, Израиль, вместе с сотрудниками Владимиром Шалевым и Александрой Больцевой из Университета Пердью, Индиана, США, и их команды отправляли чрезвычайно короткие (5-6 фемтосекунд) сигналы. импульсы света Лазеры с длиной волны 800 нм через прозрачные проводящие оксидные материалы.

Это вызвало быстрый сдвиг показателя преломления, который исследовался с помощью зондового лазерного луча на немного большей (близкой к инфракрасной) длине волны. Зондирующий луч быстро смещался в красную сторону (увеличивая длину волны), а затем в синюю (длина волны уменьшалась), когда показатель преломления материала возвращался к нормальному значению.

Спектрограммы пропускания пробных импульсов длительностью 44 фс, прошедших через образец ITO, модулирующих импульсы различной длительности. Фото: Иран Люстиг и др.

Время, необходимое для каждого из этих изменений показателя преломления, было минимальным — менее 10 фемтосекунд — таким образом, в пределах одного цикла, необходимого для формирования стабильного ПТК.

«Высокоэнергетическим возбужденным электронам в кристаллах обычно требуется более чем в десять раз больше времени, чтобы вернуться в основное состояние, и многие исследователи полагают, что сверхбыстрая релаксация, которую мы наблюдаем здесь, будет невозможна», — сказал Сегев. «Мы не понимаем, как именно это происходит».

Соавтор Шалев также предполагает, что способность сохранять PTC в поле зрения, как показано здесь, «откроет новую главу в науке о фотонике и позволит реализовать по-настоящему революционные приложения». Однако мы мало знаем о том, что это может быть, поскольку в 1960-х годах физики знали о потенциальных применениях лазеров.

Ссылка: «Временная рефрактивная оптика с одноцикловой модуляцией», Иран Люстиг, Охад Сигал, Сохам Саха, Элияху Пердью, Сара Н. Чоудхури, Йонатан Шараби, Авнер Фляйшер, Александра Больцева, Орен Коэн, Владимир М. Шалев и Мордехай Сегев, 31 мая 2023 г., нанофотоника.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом.