Naukowcy stworzyli układ, którego właściwości optyczne zmieniają się regularnie w czasie. Tak powstał tzw. fotoniczny kryształ czasu – nowy typ materiału, który może w przyszłości znaleźć zastosowanie w laserach, systemach łączności i urządzeniach wykorzystujących promieniowanie terahercowe

Światłem można sterować nie tylko za pomocą soczewek i luster. Współczesna fotonika wykorzystuje także materiały zaprojektowane tak, by przepuszczały jedne długości fal, a blokowały inne. Dzięki nim działają m.in. światłowody, lasery, czujniki chemiczne oraz część urządzeń medycznych. Do tej grupy należą fotoniczne kryształy. Ich struktura powtarza się regularnie w przestrzeni, a odpowiednie rozmieszczenie mikroskopijnych elementów pozwala kontrolować ruch fotonów – podobnie jak półprzewodniki sterują przepływem elektronów.

Dotychczas wszystkie takie kryształy były jednak strukturami statycznymi. Badacze z École Polytechnique, Collège de France i Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf postanowili sprawdzić, czy podobny porządek można stworzyć nie w przestrzeni, lecz w czasie.

Materiał zmienia się w rytmie światła

W fotonicznym krysztale czasu właściwości materiału zmieniają się cyklicznie. Nie są to jednak zmiany zachodzące w skali sekund czy milisekund, lecz pikosekund – jednej bilionowej części sekundy. To kluczowe, ponieważ czas tych zmian jest porównywalny z okresem drgań fal elektromagnetycznych wykorzystanych w eksperymencie. Innymi słowy, materiał zmienia swoje właściwości niemal w tym samym rytmie, w jakim oscyluje światło.

„Rozszerzając koncepcję fotonicznych kryształów z przestrzeni na czas, otwieramy zupełnie nowy sposób kontrolowania światła oraz jego wzmacniania i generowania promieniowania laserowego” – mówił Tingwen Guo z École Polytechnique, pierwszy autor publikacji w Nature.

Badacze pracowali z promieniowaniem terahercowym, którego częstotliwość znajduje się pomiędzy falami wykorzystywanymi w elektronice a promieniowaniem podczerwonym. Ten zakres od dawna uznawany jest za szczególnie obiecujący dla obrazowania, badań materiałowych, biologii i systemów łączności.

Trudny zakres promieniowania

Promieniowanie terahercowe od lat sprawia inżynierom problemy. Elektronika najlepiej radzi sobie z niższymi częstotliwościami, a klasyczna fotonika z wyższymi. Pasmo terahercowe pozostaje pomiędzy nimi, dlatego jego efektywne wykorzystanie jest znacznie trudniejsze. „Zakres terahercowy stanowi granicę między technologiami elektronicznymi i fotonicznymi” – wyjaśnia Yannis Laplace z École Polytechnique, dodając: „To obszar o ogromnym potencjale, ale wciąż znacznie słabiej rozwinięty niż pozostałe zakresy widma elektromagnetycznego”.

Aby zbudować fotoniczny kryształ czasu, naukowcy zaprojektowali specjalny metamateriał plazmoniczny. W takich materiałach o właściwościach decyduje nie tylko skład chemiczny, lecz przede wszystkim geometria mikroskopijnych struktur.

W tym przypadku były to mikrometrowe elementy wykonane ze złota, umieszczone nad warstwą izolatora i półprzewodnika ze stopu indu oraz antymonu. Złote struktury tworzyły niewielkie wnęki, w których można było uwięzić promieniowanie terahercowe.

Elektrony pomagają zatrzymać światło

Na powierzchni półprzewodnika powstawały plazmony powierzchniowe – zbiorowe drgania elektronów sprzężone z falą elektromagnetyczną. Dzięki temu światło pozostawało dłużej związane z powierzchnią materiału, co wzmacniało jego oddziaływanie z układem.

Następnie badacze skierowali na urządzenie bardzo silne impulsy terahercowe, generowane przez źródło TELBE działające przy akceleratorze ELBE w ośrodku Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Impulsy błyskawicznie zmieniały właściwości półprzewodnika, a tym samym zdolność całego układu do odbijania światła.

Największym wyzwaniem okazało się jednoczesne osiągnięcie dwóch warunków: bardzo szybkich zmian oraz ich odpowiednio dużej amplitudy. Dopiero takie połączenie pozwoliło zaobserwować zjawisko fotonicznego kryształu czasu.

„Wyjątkowa zdolność źródła TELBE do generowania silnych impulsów terahercowych o stabilnej fazie była kluczowa dla eksperymentu” – podkreśla Jan-Christoph Deinert, koordynator ośrodka TELBE. – Bez niej uzyskanie tak szybkich i powtarzalnych zmian nie byłoby możliwe.

Mniej strat, większe możliwości

Eksperyment uzupełniono modelem teoretycznym opracowanym przez zespół Marco Schiró z Collège de France. Obliczenia nie tylko odtworzyły wyniki pomiarów, lecz także pozwoliły zrozumieć zachowanie fotonów wewnątrz układu.

Model wykazał, że okresowe zmiany właściwości materiału zmniejszają straty fotonów o około połowę. Oznacza to, że znacznie więcej promieniowania pozostaje uwięzione w strukturze zamiast zostać pochłonięte lub wydostać się na zewnątrz.

Kolejnym celem badaczy będzie całkowite zrównoważenie tych strat, a następnie uzyskanie sytuacji, w której liczba fotonów zacznie rosnąć. Taki efekt umożliwiłby wzmacnianie promieniowania, a w odpowiednich warunkach również generowanie światła laserowego.

Fotoniczne kryształy czasu są na razie osiągnięciem laboratoryjnym, ale pokazują, że właściwości materiału można kontrolować w tempie porównywalnym z drganiami światła. W przyszłości może to umożliwić budowę nowych laserów terahercowych, szybszych systemów komunikacji, dokładniejszych metod obrazowania medycznego oraz bardziej zaawansowanych narzędzi do badania właściwości materiałów.

Źródła:

„Plasmonic metamaterial time crystal”, Nature, DOI: 10.1038/s41586-026-10825-9
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10825-9

École Polytechnique, „Shaping light like never before with photonic time crystals”, EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/1138063

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi