Дослідження: Зміна світлового лазерного потоку породжує фотонні часові кристали

Вчені, які експериментують з деякими з найбільш фундаментальних законів фізики, знайшли більше доказів того, що вони називають фотонними часовими кристалами (ФЧК): матеріали, в яких швидкість, з якою рухається світло (показник заломлення), коливається дуже швидко.

Ми вже знаємо набагато більше про фотонні кристали, де повторюваний візерунок у матеріалі створює зміну показника заломлення в певній області простору; це можна побачити в мерехтінні крил комах або дорогоцінних мінералів. З ПТК також вводиться елемент зміни з часом.

Тут дослідники тренували лазери на двох матеріалах, відомих як прозорі провідні оксиди, які пропускають світло і водночас проводять електрику. Вони використовували лазери для швидкої зміни показника заломлення за періоди менше 10 фемтосекунд (це 10 квадрильйонних часток секунди).

Дослідники спостерігали значні зрушення в частоті світла і в часі релаксації світла (час, необхідний для повернення показника заломлення до нормального значення), залежно від товщини матеріалу і швидкості, з якою змінювався показник заломлення.

“Електронам, збудженим до високої енергії в кристалах, зазвичай потрібно в десять разів більше часу, щоб розслабитися до свого основного стану, і багато дослідників вважали, що надшвидка релаксація, яку ми спостерігаємо тут, неможлива”, – говорить фізик Мордехай Сегев з Техніон-Ізраїльського технологічного інституту.

“Ми ще не розуміємо, як саме це відбувається”.

Якщо у вас ще не болить голова від фізики високого рівня, то тут існує більше одного типу фотонних часових кристалів. Дослідження, які тут проводяться, відокремлені від фотонних часових кристалів, які можуть маніпулювати світлом для різних передових цілей.

Досі ці типи ФТЧ спостерігалися лише з використанням радіохвиль, які мають набагато нижчі частоти, ніж світлові хвилі – чим швидше проходять хвилі, тим вища їхня частота. Стабільність ПТК залежить від того, як показник заломлення зростає і падає в просторі одного циклу електромагнітної хвилі.

Це набагато складніше у надшвидкісній області світлових хвиль, що робить ці експерименти такими цікавими. Дослідники не змогли спостерігати ПТК у видимому спектрі світла, але вони наблизилися до цього.

Як каже Сегев, поки що не зрозуміло, чому це відбувається і як це може бути використано, але ми говоримо про відкриття нового напрямку у фізиці – “нової глави в науці про світло”, за словами Володимира Шалаєва, інженера-електрика з Університету Пердью в США.

“Наші результати… прокладають шлях для спостереження фотонних часових кристалів на оптичних частотах і багатьох інших явищ, пов’язаних з часовими межами”, – пишуть дослідники у своїй опублікованій статті.

Результати дослідження опубліковані в журналі Nanophotonics.