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　　近期，阿尔托大学、卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和斯坦福大学的联合研究团队成功设计出一种新型光子时间晶体，可对照射到这种人造材料上的光进行放大，在无线通信、激光等领域具有非常大的应用价值。该成果以“Metasurface-Based Realization of Photonic Time Crystals”为题发表在Science Advances 上( DOI: 10.1126/sciadv.adg7541)。

　　图 二维光子晶体光放大示意图

　　早在2012年，诺贝尔奖获得者Frank Wilczek就首次提出了时间晶体的构想。传统的晶体具有空间重复的结构模式，但在时间晶体中，这种模式是在时间上重复。虽然一些物理学家最初对时间晶体的存在持怀疑态度，但最近的实验已经成功证实它的存在。2022年，阿尔托大学低温实验室的研究人员设计了一种可用于量子设备的成对时间晶体。

　　在这之前，人们对光子时间晶体的研究主要集中在块状材料这种三维结构上。不得不说，这是一个巨大的挑战，而且在实验中还没有可用于实际应用的系统模型。

　　阿尔托大学的博士、该研究的主要作者Xuchen Wang表示，将维度从三维结构降低到二维结构，使得光子时间晶体在现实中实现的可能性大大增加。他们通过这种方法制造出了光子时间晶体，并通过实验验证了有关其行为的理论预测。最重要的是，他们首次证明了光子时间晶体可以高增益地放大入射光。因为在光子时间晶体中，光子以一种随时间重复的模式排列。这意味着晶体中的光子是同步且相干的，从而导致光的相长干涉和放大。同样，光子的周期性排列意味着它们也可以以增强放大的方式相互作用。

　　研究团队指出，这种新型二维光子时间晶体具有广泛的应用前景。比如，通过放大电磁波，它们可以使无线发射器和接收器的效率得到大幅提升。在表面涂上二维光子时间晶体也可以帮助信号衰减，这是无线传输中的一个重要问题。光子时间晶体还可通过代替激光腔中的大块反射镜来简化激光器设计。另一个应用是二维光子时间晶体不仅可以放大在自由空间中照射到它们的电磁波，还可以放大沿表面传播的电磁波。而且表面波用于集成电路中电子元件之间的通信。但当表面波传播时，由于衰减会导致信号强度降低。因此可以通过二维光子时间晶体集成到系统中对表面波进行放大，提高通信效率。

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