近日，哈尔滨工程大学王旭辰课题组发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种具有共振特性的光子时间晶体（Photonic Time Crystals，PTCs）。这种新型PTC材料可以大幅拓展其动量带隙，并显著增强光的增益。该工作以"Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances"为题，发表在《Nature Photonics》上。
光子时间晶体的全新突破
光子时间晶体是一种在时间上呈周期性调制电磁特性的人工材料。通过这一特性，PTCs能够产生特殊的动量带隙，进而实现对光子的显著增益，这一过程与传统的非线性光学方法不同。而实现光子时间晶体的一个主要挑战在于，材料属性的调制强度需要足够高，以便在光学范围内形成明显的动量带隙。此前，实验仅在微波频率下实现了光子时间晶体，而在光学频率上的实现一直备受挑战。
利用共振增强带隙：克服材料限制
在此项研究中，研究团队提出了一种全新的解决方案，利用本征材料或结构共振，通过在共振材料中引入时间调制，来实现显著扩展的动量带隙。与以往使用高能量密度泵浦的传统方案相比，这一新方法对调制强度的要求更低，可利用低损耗材料和合理的激光泵浦功率来实现。研究团队通过对具有洛伦兹色散特性的块状材料和光学超表面进行验证，展示了这种新方法的有效性。
图1：物理概念示意图。
光学超表面：从理论走向实验
为进一步实践验证，研究团队设计了一种基于共振的光学超表面光子时间晶体。该超表面由各向同性的微纳米结构单元组成，这些结构单位间隔较小，能够实现强共振特性，进而支持动量带隙的生成。研究显示，借助结构单元的表面电容和电感的时间调制，这一光学超表面在表面模式上生成了可显著扩展的动量带隙。数值模拟结果验证了这种设计的可行性，并表明带隙中的模式可以在时间上快速增长，从而产生理想的光增益效果。
从概念验证到应用前景
此项研究的创新在于，通过利用结构性共振而非新材料，实现了显著拓展的动量带隙，使PTCs在光学频率范围内的应用成为可能。通过适当调节该晶体的共振频率和质量因子，PTCs的动量带隙理论上可以覆盖整个k空间。这为进一步设计更为复杂的时间空间晶体和放大自发光发射提供了基础。研究团队预测，这种技术不仅在红外范围内可行，未来也有望在可见光范围内实现，这将为光学超分辨率成像和完美透镜等领域带来革命性进展。
研究人员指出，基于共振的光子时间晶体结构能够实现带宽更宽、增益效果更显著的光学增益，未来在实现更高效的光通信、光学成像以及量子信息技术方面具有广泛应用潜力。此外，这种新型PTC结构可以进行进一步优化以提升增益效率，并在更宽的光谱范围内实现应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01563-3
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