Rychleji, než lze vysvětlit: Optické časové krystaly by mohly způsobit revoluci v optice

Nedávná studie odhalila oscilace indexu lomu rychleji, než lze vysvětlit současnými teoriemi.

Studie nedávno zveřejněná v časopise Nanofotonika Odhaluje, že rychlým nastavením indexu lomu – poměru rychlosti elektromagnetického záření v médiu k jeho rychlosti ve vakuu – je možné produkovat fotonické časové krystaly (PTC) v blízké viditelné části spektra. .

Autoři studie naznačují, že schopnost zachovat PTC v optickém poli by mohla mít hluboké důsledky pro fotoniku, což v budoucnu umožní skutečně rušivé aplikace.

PTC, materiály, jejichž index lomu v průběhu času rychle stoupá a klesá, jsou časovým ekvivalentem fotonických krystalů, jejichž index lomu periodicky osciluje v prostoru a způsobuje například iridescenci drahých kovů a hmyzích křídel.

Experimentální uspořádání pro refraktometrii v jednocyklovém režimu. Kredit: Iran Lustig et al.

PTC je stabilní pouze v případě, že index lomu může stoupat a klesat v souladu s jediným cyklem elektromagnetických vln na příslušné frekvenci, takže není překvapením, že PTC byly dosud pozorovány na spodním frekvenčním konci elektromagnetického spektra. : s rádiovými vlnami.

V této nové studii hlavní autor Mordechai Segev z Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Izrael, spolu se spolupracovníky Vladimirem Shalevem a Alexandrou Poltasevovou z Purdue University, Indiana, USA, a jejich týmy poslali extrémně krátké (5-6 femtosekund) ) pulsy světla Laser o vlnové délce 800 nm přes průhledné vodivé oxidové materiály.

To způsobilo rychlý posun indexu lomu, který byl zkoumán pomocí sondového laserového paprsku s mírně delší vlnovou délkou (blízká infračervená). Paprsek sondy se rychle posunul do červena (zvýšila jeho vlnová délka) a poté do modré (snížila vlnovou délku), když index lomu materiálu klesal na svou normální hodnotu.

Transmisní spektrogramy 44 fs pulsů sondy prošlých vzorkem ITO pro modulaci pulsů různých časových šířek. Kredit: Iran Lustig et al.

Čas potřebný pro každou z těchto změn indexu lomu byl malý – méně než 10 femtosekund – a tedy v rámci jednoho cyklu potřebného k vytvoření stabilního PTC.

„Vysokoenergeticky excitované elektrony v krystalech obecně potřebují více než desetkrát déle, aby se uvolnily zpět do svého základního stavu, a mnoho výzkumníků se domnívá, že ultrarychlá relaxace, kterou zde pozorujeme, by byla nemožná,“ řekl Segev. „Nechápeme přesně, jak se to stalo.“

Spoluautor Shalev také naznačuje, že schopnost zachovat PTC v optické doméně, jak je zde ukázáno, „otevře novou kapitolu ve fotonické vědě a umožní skutečně rušivé aplikace“. O tom, co by to mohlo být, však víme jen málo, protože fyzici v 60. letech věděli o potenciálních aplikacích laserů.

Reference: „Časově refrakční optika s jednocyklovou modulací“ od Eran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Choudary, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltaseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev, Mordechai Segev, 31. května 2023, Nanofotonika.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Výzkum byl financován německou výzkumnou nadací.