Международен изследователски екип за първи път е проектирал реалистични фотонни времеви кристали - екзотични материали, които усилват светлината експоненциално. Пробивът открива вълнуващи възможности в области като комуникациите, изображенията и сензориката, като полага основите на по-бързи и по-компактни лазери, сензори и други оптични устройства, предава EurekAlert.

„Тази работа може да доведе до първата експериментална реализация на фотонни времеви кристали, като ги насочи към практически приложения и потенциално трансформира индустриите. От високоефективни светлинни усилватели и усъвършенствани сензори до иновативни лазерни технологии, настоящето изследване предизвиква границите на това как можем да контролираме взаимодействието между светлината и материята“, казва доцент Виктар Асадчи от Университета Аалто, Финландия.

Фотонните времеви кристали представляват уникален клас оптични материали. За разлика от традиционните, които имат пространствено повтарящи се структури, фотонните времеви кристали остават еднородни в пространството, но проявяват периодични колебания във времето. Това характерно качество създава „моментни лентови пролуки“ или необичайни състояния, при които светлината спира в кристала, докато интензитетът ѝ расте експоненциално с времето. За да разберете особеностите на взаимодействието на светлината във фотонния времеви кристал, представете си, че тя се движи през среда, която преминава между въздух и вода квадрилиони пъти в секунда - забележително явление, което предизвиква традиционното ни разбиране за оптиката.

Едно от потенциалните приложения на фотонните времеви кристали е в областта на наносензорирането.

„Представете си, че искаме да открием наличието на малка частица, например вирус, замърсител или биомаркер за заболявания като рак. Когато е възбудена, частицата ще излъчва малко количество светлина с определена дължина на вълната. Фотонният времеви кристал може да улови тази светлина и автоматично да я усилва, което позволява по-ефективно откриване със съществуващото оборудване“, казва Асадчи.

Създаването на фотонни времеви кристали за видима светлина отдавна е предизвикателство поради необходимостта от изключително бързи и същевременно големи по амплитуда промени в свойствата на материала. Досега най-напредналата експериментална демонстрация на фотонни времеви кристали - разработена от членове на същия изследователски екип - беше ограничена до много по-ниски честоти, като например микровълни. В най-новата си работа екипът предлага, чрез теоретични модели и електромагнитни симулации, първия практически подход за постигане на „истински оптични“ фотонни времеви кристали. Като използват масив от малки силициеви сфери, учените предвиждат, че специалните условия, необходими за усилване на светлината, които досега са били недостъпни, най-накрая могат да бъдат постигнати в лабораторията с помощта на известни оптични техники.

Изследването е публикувано в Nature Photonics.