哈尔滨工程大学超材料与纳米光学国际联合研究中心王旭辰教授课题组发现，利用材料的谐振特性，可以显著拓展光子时间晶体的动量带隙至无限宽。该研究通过相对较低的材料调制强度实现了显著的带隙扩展，解决了当前光子时间晶体在光波频段带隙宽度受限的难题，为光学频段光子时间晶体的实现开辟了全新路径。
北京时间2024年11月12日18时，上述研究成果以“Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances”为题在线发表于Nature Photonics。
光子时间晶体（Photonic Time Crystals）是一种沿时间维度周期性变化的光学材料，能够产生“动量带隙”效应。当入射光的动量处于动量带隙内时，其本征频率为复数，也就是说光的强度会随着时间呈指数增长，为新一代高效激光器、定向光源和先进传感器的开发提供了全新的可能性。近年来，光子时间晶体受到学术界广泛关注。一般而言，光子时间晶体的对光波放大的效果取决于它的动量带隙宽度，若其带隙宽度越宽，意味着在宽范围内的入射波矢均可以被指数放大，从而显著提高放大效果。然而，目前学术界普遍认为，要产生足够宽的动量带隙需要使材料的光学特性剧烈调制，也就是说需要极高的调制功率，这将对器件本身造成损害，导致光子时间晶体的实现面临质疑。王旭辰教授及其国际合作团队的研究表明，如果材料本身具有电磁谐振特性，仅需极微小的调制强度就可以实现无限宽的动量带隙，从而有效放大不同动量的入射光。这一重要发现有望摆脱光子时间晶体对高功率调制的依赖。
谐振光子时间晶体示意图
研究亮点
1
材料自身谐振拓展光子时间晶体带隙宽度
传统光子时间晶体（PTC）的研究通常假设材料的电磁属性在空间中均匀，通过周期性调制介电常数（或等离子频率）产生动量带隙。本研究从材料的洛伦兹色散模型出发，严格推导了材料等离子频率与谐振频率的周期性调制对动量带隙宽度的影响。研究发现传统PTC采用的等离子频率调制仅能产生极窄的动量带隙（如图1 a），无法实现对光波的有效放大。然而，本研究揭示若材料的谐振频率以相同调制幅度进行周期性调制，则动量带隙可以扩展至无限宽 (如图1c)，意味着所有入射波矢均可被有效放大，为实现高效激光器提供了关键条件。此外，本研究提出了调控动量带隙的普适方法，发现通过静态材料的色散特性曲线便可预测时变材料的动量带隙大小（如图1 b,d），从而为PTC带隙调控提供了有效的理论指导。
图1：(a) 通过调制等离子频率产生极窄动量带隙 （c）通过调制谐振频率产生无限宽动量带隙 （b）（d）利用静态材料色散曲线预测光子时间晶体带隙宽度。
2
谐振超表面实现无穷带隙光子时间晶体
以上理论证明了材料谐振频率调制可以大大拓宽动量带隙，然而在自然材料中实现材料本身谐振频率的调制难度极大。对此，本研究提出了基于人工电磁材料，特别是电磁超表面来实现谐振频率自由调制的新方案，使谐振频率调制成为了现实。他们假设超表面的“超原子”可以等效为LC谐振电路（如图2a所示），通过周期性调制等效电容C(t)，使谐振频率周期性调制，从而实现无穷大的动量带隙（如图2b）。理论分析表明，通过提高超表面的品质因素（如图2f），超表面光子时间晶体不仅可以对自由空间的入射波矢进行放大(如图2g)，同时也能够对表面波矢实现放大(如图2cd)，实现无穷宽的动量带隙。
图2：（a）由LC谐振单元构成的超表面结构；（b）通过调制等效电容 C 实现无限宽的动量带隙；（c）（d）在动量带隙内，超表面对不同动量的表面波均具有放大效应及其（e）时间演变规律；（f）（g）提高超表面的品质因素可实现对自由空间波和表面波的同时放大。
3
基于米谐振介质超表面实现光波频段的光子时间晶体
研究团队进一步利用上述相同的物理原理，在光波频段实现了光子时间晶体。具体而言，通过米谐振介质球阵列形成具有高品质因素的超表面 （图3a），并通过光泵浦调制材料的介电常数，使谐振频率等效地被调制。研究表明，采用极小的调制深度（仅为1%）即可将带隙宽度扩大至传统等离子频率调制方式的350倍 （如图3b-i）。这一结果展示了米谐振介质超表面在光学频段实现PTC的巨大潜力，为PTC在更高频率范围的应用提供了重要理论支持。
图3：（a）基于米谐振超表面的光子时间晶体结构示意图；（b，c）无时间调制条件下的能带结构；（d-f）非谐振条件下的极窄动量带隙；（g-j）谐振条件下的超宽动量带隙。
哈尔滨工程大学青岛创新发展基地王旭辰教授为该论文的第一作者及通讯作者，论文的合作者来自芬兰阿尔托大学，东芬兰大学以及德国卡尔斯鲁厄理工学院。德国卡尔斯鲁厄学院Puneet Garg博士为共同第一作者及通讯作者，哈尔滨工程大学为第一单位及第一通讯单位。该工作得到了中央高校业务费的支持。
相关论文信息：
Wang, X., Garg, P., Mirmoosa, M.S. et al. Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances. Nat. Photon. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01563-3
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01563-3
来源：小柯物理
