光子时间晶体由在空间上具有均匀成分但性质随时间周期性变化的材料组成。有了这种周期性的变化，光的光谱组成可以根据需要进行调制和放大——这是光信息处理的关键能力。“这给了我们新的自由度，但也带来了很多挑战，”来自KIT理论固体物理研究所和纳米技术研究所的Carsten Rockstuhl教授说。“这项研究为在信息处理系统中使用这些材料铺平了道路，这些系统能够使用和放大任何频率的光。”
向四维光子晶体迈进了一步
光子时间晶体的关键参数是其在动量空间中的带隙。动量是光传播方向的量度。带隙规定了光为了被放大而必须传播的方向；带隙越宽，放大越大。“以前，我们必须加强材料特性的周期性变化，如折射率，以实现更宽的带隙。只有这样，光才能被放大，”该研究的两位主要作者之一普尼特·加格解释说。“由于大多数材料的选择有限，这是一个很大的挑战。”
研究人员的解决方案是将光子时间晶体与额外的空间结构结合起来。他们通过整合由硅球制成的光子时间晶体，创造了“光子时空晶体”，这种晶体可以“捕获”并保持比以前更长时间的光。这样，光就能对材料特性的周期性变化做出更好的反应。“我们讨论的是加强光与物质之间相互作用的共振，”另一位主要作者王旭晨说。“在这种优化调谐系统中，带隙几乎延伸到整个动量空间，这意味着无论光的传播方向如何，它都可以被放大。这可能是在实际使用这种新型光学材料的道路上缺失的关键一步。”
“我们对光子材料的这一突破感到非常兴奋，我们期待看到我们研究的长期影响。现在，现代光学材料研究的巨大潜力可以实现，”Rockstuhl说。“这个想法并不局限于光学和光子学；它可以应用于各种物理系统，并有可能激发其他领域的新研究。”
该研究项目由德国研究基金会（DFG）资助的“波动现象：分析和数值”合作研究中心进行，并嵌入亥姆霍兹协会的信息研究领域。
