Forscher haben photonische Zeitkristalle im nahe sichtbaren Spektrum hergestellt und damit möglicherweise Anwendungen in der Lichtwissenschaft revolutioniert. Dieser Durchbruch erweitert das bisher bekannte Spektrum von PTCs, die nur in Radiowellen beobachtet wurden.
Eine aktuelle Studie zeigt Schwingungen des Brechungsindex, die schneller sind, als mit aktuellen Theorien erklärt werden kann.
Eine kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlichte Studie Nanophotonik zeigt, dass es durch schnelle Modulation des Brechungsindex – das ist das 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 aufrechtzuerhalten, tiefgreifende Auswirkungen auf die Wissenschaft des Lichts haben und in der Zukunft wirklich bahnbrechende Anwendungen ermöglichen könnte.
PTCs, Materialien, bei denen der Brechungsindex mit der Zeit schnell ansteigt und abfällt, sind das zeitliche Äquivalent von photonischen Kristallen, bei denen der Brechungsindex periodisch im Raum oszilliert und beispielsweise das Schillern wertvoller Mineralien und Insektenflügel verursacht.
Versuchsaufbau zur Messung der Zeitbrechung im Einzelzyklusregime. Bildnachweis: Eran Lustig et al.
Ein PTC ist nur dann stabil, wenn der Brechungsindex im Einklang mit einem einzelnen Zyklus elektromagnetischer Wellen bei der betreffenden Frequenz ansteigen und fallen kann. Daher überrascht es nicht, dass PTCs bisher am Ende des elektromagnetischen Spektrums mit der niedrigsten Frequenz 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 Shalaev und AlexndraBoltasseva von der Purdue University, Indiana, USA, und ihren Teams extrem kurze (5-6 Femtosekunden) Impulse von Laserlicht mit einer Wellenlänge von 800 Nanometern durch transparente leitfähige Oxidmaterialien.
Dies verursachte eine schnelle Verschiebung des Brechungsindex, die mithilfe eines Sondenlaserstrahls bei einer etwas längeren Wellenlänge (nahes Infrarot) untersucht wurde. Der Sondenstrahl wurde schnell rotverschoben (d. h. seine Wellenlänge nahm zu) und dann blauverschoben (die Wellenlänge verringerte sich), als der Brechungsindex des Materials wieder auf seinen Normalwert abfiel.
Transmissionsspektrogramme von 44-fs-Sondenimpulsen, die die ITO-Probe durchlaufen haben, für Modulatorimpulse unterschiedlicher zeitlicher Breite. Bildnachweis: Eran Lustig et al.
Die für jede dieser Brechungsindexänderungen benötigte Zeit war winzig – weniger als 10 Femtosekunden – und lag daher innerhalb des einzelnen Zyklus, der zur Bildung eines stabilen PTC erforderlich ist.
„Elektronen, die in Kristallen auf hohe Energie angeregt werden, brauchen im Allgemeinen mehr als zehnmal so lange, um in ihren Grundzustand zurückzukehren, und viele Forscher dachten, dass die ultraschnelle Entspannung, die wir hier beobachten, unmöglich wäre“, sagte Segev. „Wir verstehen noch nicht genau, wie es passiert.“
Co-Autor Shalaev schlägt außerdem vor, dass die Fähigkeit, PTCs im optischen Bereich aufrechtzuerhalten, wie hier gezeigt, „ein neues Kapitel in der Wissenschaft des Lichts aufschlagen und wirklich bahnbrechende Anwendungen ermöglichen wird“. Allerdings wissen wir darüber ebenso wenig, wie die Physiker in den 1960er Jahren über die Einsatzmöglichkeiten von Lasern wussten.
Referenz: „Zeitbrechungsoptik mit Einzelzyklusmodulation“ von Eran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Chowdhury, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltasseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalaev und Mordechai Segev, 31. Mai 2023, Nanophotonik.
DOI: 10.1515/nanoph-2023-0126
Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.