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研究背景

光子時(shí)間晶體（PTC）是人工材料，其電磁特性在空間上均勻但在時(shí)間上周期性調(diào)制，因其能夠產(chǎn)生顯著的動(dòng)量帶隙而成為研究熱點(diǎn)。光子時(shí)間晶體的研究不僅為實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的奇異相互作用提供了理論基礎(chǔ)，還為新型光學(xué)放大器、超光速孤子等現(xiàn)象的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。然而，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)光子時(shí)間晶體面臨著諸多挑戰(zhàn)。當(dāng)前，材料的時(shí)間調(diào)制需要極快的速度，并且晶體的折射率變化要接近1，這使得材料的選擇變得十分有限。此外，低損耗材料中的非線性效應(yīng)較弱，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)足夠的折射率變化。而透明導(dǎo)電氧化物等材料雖然具備較大折射率變化，但其需要極高的泵浦功率密度，且容易導(dǎo)致熱損傷，限制了其應(yīng)用。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，哈爾濱工程大學(xué)王旭辰教授課題組在Nature Photonics期刊上發(fā)表了題為“Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances”的最新論文?？茖W(xué)家們提出了基于共振人工復(fù)合材料的方法，嘗試通過引入高質(zhì)量共振來解決這一問題。通過調(diào)制材料的共振頻率，研究人員能夠在低損耗材料和現(xiàn)實(shí)的激光功率條件下，創(chuàng)建具有明顯動(dòng)量帶隙的光子時(shí)間晶體。這一方法不僅降低了所需的調(diào)制強(qiáng)度，還為實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率下的光子時(shí)間晶體提供了可行的材料平臺(tái)。相關(guān)研究已在體積材料和光學(xué)超表面中得到了驗(yàn)證，為光子時(shí)間晶體的首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)鋪平了道路。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于共振人工復(fù)合材料的光子時(shí)間晶體（PTC）設(shè)計(jì)方法，成功擴(kuò)展了動(dòng)量帶隙。該方法利用時(shí)變材料的共振特性，顯著降低了所需的調(diào)制強(qiáng)度，且可以在已知的低損耗材料和現(xiàn)實(shí)的激光泵浦功率下實(shí)現(xiàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)通過引入時(shí)間調(diào)制的共振材料，在光學(xué)頻率下實(shí)現(xiàn)了光子時(shí)間晶體的概念驗(yàn)證。與傳統(tǒng)材料相比，采用此方法能夠有效地拓展動(dòng)量帶隙，且該設(shè)計(jì)在體積材料和光學(xué)超表面中得到了驗(yàn)證。該研究提供了一個(gè)新平臺(tái)，為光子時(shí)間晶體在光學(xué)領(lǐng)域的首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)鋪平了道路。

（3）實(shí)驗(yàn)展示了時(shí)變材料在表面波和傳播波中的動(dòng)量帶隙增強(qiáng)效果。在表面波情況下，時(shí)變材料能夠有效提升動(dòng)量帶隙，而在傳播波情況下，通過合理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)量帶隙，顯著改善了光與物質(zhì)的相互作用，為光子時(shí)間晶體的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。

圖文解讀

圖1：時(shí)變洛倫茲材料的能帶結(jié)構(gòu)。

圖2：共振頻率調(diào)制的時(shí)變介質(zhì)概念實(shí)現(xiàn)方法。

圖3：時(shí)變LC共振超表面的分析。

圖4：表面波動(dòng)量帶隙增強(qiáng)示意圖。

圖5：傳播波大動(dòng)量帶隙示意圖。

結(jié)論展望

本文通過在時(shí)變超表面中利用結(jié)構(gòu)共振，研究者成功地實(shí)現(xiàn)了大幅度的動(dòng)量帶隙增強(qiáng)，帶隙寬度提高了350倍，這為光學(xué)器件中的帶隙工程提供了新的思路。特別是，所提出的PTC可以覆蓋整個(gè)k空間，包括自由空間傳播模式和表面模式，這突破了傳統(tǒng)基于體材料的光子學(xué)器件的局限性。

此外，PTC的設(shè)計(jì)不僅能夠放大接近結(jié)構(gòu)的發(fā)射體的自發(fā)輻射，還能夠有效放大消逝波，幫助實(shí)現(xiàn)高分辨率的成像系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)完美透鏡、光子時(shí)空晶體等更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐可能。同時(shí)，盡管本文的PTC設(shè)計(jì)主要適用于紅外波段，但它也具有在可見光波段實(shí)現(xiàn)的潛力，且其元原子的形狀不局限于球形，具有廣泛的應(yīng)用前景。

總的來說，本文為光子學(xué)和光學(xué)成像技術(shù)的創(chuàng)新開辟了新的研究方向，具有深遠(yuǎn)的科學(xué)和工程意義。

文獻(xiàn)信息

Wang, X., Garg, P., Mirmoosa, M.S.?et al.?Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances.?Nat. Photon.?(2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/11/15/9e04642b91/

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