Schneller als erklärbar: Photonische Zeitkristalle könnten die Optik revolutionieren

Eine aktuelle Studie ergab schnellere Schwankungen des Brechungsindex, als mit aktuellen Theorien erklärt werden können.

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlichte Studie Nanophotonik Er enthüllt, dass es durch schnelle Anpassung des Brechungsindex – das ist das Verhältnis der Geschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung in einem Medium im Vergleich zu seiner Geschwindigkeit im Vakuum – möglich ist, photonische Zeitkristalle (PTCs) im nahezu sichtbaren Teil von zu erzeugen Das Spektrum.

Die Autoren der Studie gehen davon aus, dass die Fähigkeit, PTCs im visuellen Feld zu konservieren, tiefgreifende Auswirkungen auf die Wissenschaft der Photonik haben und in der Zukunft wirklich bahnbrechende Anwendungen ermöglichen könnte.

PTCs, Materialien, deren Brechungsindex mit der Zeit schnell ansteigt und abfällt, sind das zeitliche Äquivalent von photonischen Kristallen, in denen der Brechungsindex periodisch im Raum oszilliert und beispielsweise das Schillern von Edelmetallen und Insektenflügeln verursacht.

Versuchsaufbau für ein Temporalrefraktometer in einem Einzyklussystem. Bildnachweis: Iran Lustig et al.

PTCs sind nur dann stabil, wenn der Brechungsindex im Einklang mit einem Zyklus elektromagnetischer Wellen bei der betreffenden Frequenz ansteigen und fallen kann. Daher ist es nicht überraschend, dass PTCs bisher am unteren Frequenzende der elektromagnetischen Wellen beobachtet wurden Spektrum: mit Radiowellen.

In dieser neuen Studie sendeten der Hauptautor Mordechai Segev vom Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel, zusammen mit den Mitarbeitern Vladimir Shalev und Alexandra Boltseva von der Purdue University, Indiana, USA, und ihre Teams extrem kurze (5-6 Femtosekunden) Lichtimpulse von Lasern mit einer Wellenlänge von 800 nm durch transparente leitfähige Oxidmaterialien.

Dies verursachte eine schnelle Verschiebung des Brechungsindex, die mit einem Sondenlaserstrahl bei einer etwas längeren Wellenlänge (nahes Infrarot) untersucht wurde. Der Sondenstrahl wurde schnell rotverschoben (wobei seine Wellenlänge zunahm) und dann blau (wobei die Wellenlänge abnahm), als der Brechungsindex des Materials auf seinen Normalwert zurückfiel.

Transmissionsspektrogramme von 44-fs-Sondenimpulsen, die durch eine ITO-Probe geleitet werden und Impulse unterschiedlicher Zeitbreite modulieren. Bildnachweis: Iran Lustig et al.

Die für jede dieser Brechungsindexänderungen benötigte Zeit war minimal – weniger als 10 Femtosekunden – und lag somit innerhalb des einzelnen Zyklus, der zur Bildung eines stabilen PTC erforderlich war.

„Hochenergetische angeregte Elektronen in Kristallen brauchen im Allgemeinen mehr als zehnmal so lange, um in ihren Grundzustand zurückzukehren, und viele Forscher glauben, dass die ultraschnelle Entspannung, die wir hier beobachten, unmöglich wäre“, sagte Segev. „Wir verstehen nicht genau, wie das passiert.“

Co-Autor Shalev weist außerdem darauf hin, dass die hier gezeigte Fähigkeit, PTCs im optischen Bereich zu konservieren, „ein neues Kapitel in der Wissenschaft der Photonik aufschlagen und wirklich bahnbrechende Anwendungen ermöglichen wird“. Wir wissen jedoch wenig darüber, was das sein könnte, da die Physiker bereits in den 1960er Jahren über die möglichen Anwendungen von Lasern Bescheid wussten.

Referenz: „Temporal Refractive Optics with Single-Cycle Modulation“ von Iran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Chowdhury, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev und Mordechai Segev, 31. Mai 2023, Nanophotonik.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.