Schneller als erklärbar: Optische Zeitkristalle könnten die Optik revolutionieren

Eine aktuelle Studie ergab, dass der Brechungsindex schneller schwankt, als mit aktuellen Theorien erklärt werden kann.

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

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

PTCs, Materialien, deren Brechungsindex mit der Zeit schnell ansteigt und abfällt, sind das Zeitäquivalent von photonischen Kristallen, deren Brechungsindex im Raum periodisch schwankt und beispielsweise das Schillern von Edelmetallen und Insektenflügeln verursacht.

Versuchsaufbau zur Refraktometrie in einem Einzyklussystem. Bildnachweis: Iran Lustig et al.

Ein PTC ist nur dann stabil, wenn der Brechungsindex im Einklang mit einem einzelnen Zyklus elektromagnetischer Wellen bei der betreffenden Frequenz steigen und fallen kann. Daher ist es nicht überraschend, dass PTCs bisher am unteren Frequenzende des elektromagnetischen Spektrums beobachtet wurden : 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 Poltaseva von der Purdue University, Indiana, USA, und ihren Teams extrem kurze (5-6 Femtosekunden). ) Laserlichtimpulse mit einer Wellenlänge von 800 nm durch transparente leitfähige Oxidmaterialien.

Dies verursachte eine schnelle Verschiebung des Brechungsindex, die mithilfe eines Sondenlaserstrahls mit einer etwas längeren Wellenlänge (nahes Infrarot) untersucht wurde. Der Sondenstrahl wurde schnell nach Rot verschoben (wodurch seine Wellenlänge zunahm) und dann nach Blau (wodurch seine Wellenlänge verringert wurde), während der Brechungsindex des Materials auf seinen Normalwert fiel.

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

Die für jede dieser Brechungsindexänderungen benötigte Zeit war gering – weniger als 10 Femtosekunden – und lag somit innerhalb des einen 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 schlägt außerdem vor, dass die hier gezeigte Fähigkeit, PTCs im optischen Bereich zu bewahren, „ein neues Kapitel in der Photonikwissenschaft aufschlagen und wirklich bahnbrechende Anwendungen ermöglichen wird“. Wir wissen jedoch wenig darüber, wie das aussehen könnte, da Physiker in den 1960er Jahren über mögliche Anwendungen von Lasern Bescheid wussten.

Referenz: „Time-refractive optics with single-cycle modulation“ von 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. Mai 2023, Nanophotonik.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.