Физики изготовили двумерный фотонный временной кристалл для микроволн

Физики из Германии, США и Финляндии изготовили метаповерхность, которая играет роль двумерного фотонного временного кристалла в микроволновом диапазоне. Она состоит из восьми емкостных элементов, выстроенных в ряд и ограниченных металлическими стенками. Модулируя емкость элементов, авторы убедились, что метаповерхность способна экспоненциально усиливать как поверхностные, так и свободные моды. Исследование опубликовано в Science Advances.

Однородность среды в пространстве обеспечивает выполнение закона сохранения импульса, а во времени — энергии. Физики уже давно убедились, что нарушение трансляционной инвариантности в кристаллах приводит к локальному несохранению импульса у электронов. Впоследствии эту идею распространили на фотоны в фотонных кристаллах — средах с пространственной модуляцией показателя преломления или иных электромагнитных свойств. Такие среды обладают диапазоном частот (фотонной запрещенной зоной), в котором распространение света экспоненциально подавлено в одном или нескольких направлениях.

Сравнительно недавно физики взялись за повторение этих идей во временной области. Так возникла концепция фотонных временных кристаллов — однородных сред, чьи электромагнитные свойства меняются со временем под действием какой-либо периодической накачки. Предполагается, что в таких средах будет все ровно наоборот: частота фотонов будет определена с точностью до постоянной обратной решетки, а запрещенная зона будет возникать в области волновых векторов.

Но у фотонных временных кристаллов есть важная особенность. В отличие от традиционных фотонных кристаллов моды внутри запрещенной зоны таких сред могут быть не только экспоненциально затухающими, но и экспоненциально усиливающимися. Мы уже рассказывали про теоретические исследования этого вопроса, которые показывают, что это излучение будет обладать когерентными свойствами на половине частоты модуляции. Более того, фотонные временные кристаллы могут расширять условия для излучения, диктуемые классической электродинамикой: а в анизотропном случае это могут делать даже покоящиеся заряды. Несмотря на множество интересных свойств, такие среды пока никто не изготовил, поэтому описанные выше свойства фотонных временных кристаллов еще не проверялись на практике.

Первыми, кто преодолел этот рубеж, стали Сюй Чэнь Ван (Xuchen Wang) из Университета Аалто и его коллеги из Германии, США и Финляндии. Физики изготовили двумерный фотонный временной кристалл на основе метаповерхности в микроволновом диапазоне. У такой среды есть две пространственные размерности, в которых она сохраняет однородность, а ее свойства меняются со временем. Несмотря на такое упрощение, ученые увидели в эксперименте экспоненциальный рост излучения, предсказанный теоретиками.

Главным препятствием на пути реализации фотонных временных кристаллов остается отклик существующих материалов на попытку модуляции их свойств. В оптическом диапазоне его амплитуда слишком мала, и даже прогресса в области создания метаматериалов с близким к нулю показателем преломления пока недостаточно для наблюдения нужных эффектов.

Вместо этого авторы обратились к микроволновому диапазону частот, на которых работают варикапы — электронные элементы с переменной емкостью. Их использование позволило создать метаповерхность для распространения поверхностных микроволн. Волноводные свойства этой поверхности определяются емкостью ее элементов (их еще можно назвать метаатомами). Они представляют собой пару металлических полосок, разделенных зазором и связанных варикапным диодом.

Физики создавали поверхность их восьми метаатомов, выстроенных в ряд. Такая система обладает стоячей поверхностной модой с частотой 870 мегагерц и с длиной волны, в четыре раза большей, чем размер одного элемента. Волновой вектор такой волны параллелен ряду метаатомов, поэтому физики эмулировали вторую пространственную ось, устанавливая вертикальные проводящие стенки параллельно ряду.

В первой части работы физики убедились, что такая система усиливает поверхностную сигнальную моду, если частота модуляции емкости больше, чем частота моды, ровно в два раза. Более того, усиление экспоненциально зависело от мощности модуляции и ограничивалось лишь диапазоном линейной работы варикапа. Важно, что при этом фазовые соотношения между сигналом и модуляцией не играли никакой роли, что отличает метаповерхность от параметрических усилителей.

На втором этапе авторы облучали метаповерхность с помощью свободных, а не поверхностных волн, и измеряли рассеяние этого излучения как обратно в воздух, так и в поверхностную моду. Усиление достигало максимума, когда частота сигнала ровно в полтора раза превышала частоту модуляции. Отличие этого множителя от множителя в предыдущем опыте оказалось троекратным. Причина этого в том, что во втором эксперименте усиленное метаповерхностью излучение покидает ее. Физики воспроизвели эту особенность с помощью моделирования.

Авторы отмечают, что предложенная технология усиления поверхностных волн может найти применение в технологиях беспроводной передачи данных на частотах вблизи 24 гигагерц. Кроме того, созданную метаповерхность можно усовершенствовать с помощью фазовращателей, чтобы реализовать с ее помощью фотонный пространственно-временной кристалл.

Ранее мы рассказывали, как электрические цепи помогли провести симуляцию релятивистских эффектов.