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 не сохранению 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.
Источник: https://nplus1.ru/