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Dec 08, 2023

Il cristallo temporale fotonico amplifica le microonde

A major barrier to creating photonic time crystals in the lab has been overcome

Un importante ostacolo alla creazione di cristalli temporali fotonici in laboratorio è stato superato da un team di ricercatori in Finlandia, Germania e Stati Uniti. Sergei Tretyakov dell'Università di Aalto e colleghi hanno dimostrato come le proprietà variabili nel tempo di questi materiali esotici possano essere realizzate molto più facilmente in 2D che in 3D.

Proposti per la prima volta dal premio Nobel Frank Wilczek nel 2012, i cristalli del tempo sono una famiglia unica e diversificata di materiali artificiali. Puoi leggere di più su di loro e sulle loro implicazioni più ampie per la fisica in questo articolo di Physics World di Philip Ball – ma in poche parole, possiedono proprietà che variano periodicamente nel tempo. Questo è diverso dai cristalli convenzionali, che hanno proprietà che variano periodicamente nello spazio.

Nei cristalli del tempo fotonico (PhTC), le diverse proprietà sono legate al modo in cui i materiali interagiscono con le onde elettromagnetiche incidenti. "La caratteristica unica di questi materiali è la loro capacità di amplificare le onde in arrivo a causa della mancata conservazione dell'energia delle onde all'interno dei cristalli del tempo fotonico", spiega Tretyakov.

Questa proprietà è il risultato dei "bandgap della quantità di moto" nei PhTC, in cui ai fotoni entro intervalli specifici di quantità di moto è vietata la propagazione. A causa delle proprietà uniche dei PhTC, le ampiezze delle onde elettromagnetiche all'interno di questi intervalli di banda crescono esponenzialmente nel tempo. Al contrario, le analoghe bande proibite di frequenza che si formano nei regolari cristalli fotonici spaziali PhTC, causano l'attenuazione delle onde nel tempo.

I PhTC sono ora un argomento popolare di studio teorico. Finora, i calcoli suggeriscono che questi cristalli temporali possiedono un insieme unico di proprietà. Questi includono strutture topologiche esotiche e la capacità di amplificare la radiazione proveniente da elettroni e atomi liberi.

Negli esperimenti reali, tuttavia, si è rivelato molto difficile modulare le proprietà fotoniche dei PhTC 3D in tutto il loro volume. Tra le sfide figura la creazione di reti di pompaggio eccessivamente complesse, che a loro volta creano interferenze parassite con le onde elettromagnetiche che si propagano attraverso il materiale.

Nel loro studio, il team di Tretyakov ha scoperto una semplice soluzione a questo problema. "Abbiamo ridotto la dimensionalità dei cristalli del tempo fotonico da 3D a 2D, perché è molto più semplice costruire strutture 2D rispetto a strutture 3D", spiega.

La chiave del successo dell'approccio del team risiede nella fisica unica delle metasuperfici, che sono materiali costituiti da matrici 2D di strutture di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda. Queste strutture possono essere adattate in termini di dimensioni, forma e disposizione per manipolare le proprietà delle onde elettromagnetiche in arrivo in modi altamente specifici e utili.

Dopo aver realizzato il nuovo progetto della metasuperficie a microonde, il team ha dimostrato che il suo gap di banda amplificava le microonde in modo esponenziale.

Questi esperimenti hanno chiaramente dimostrato che le metasuperfici che variano nel tempo possono preservare le principali proprietà fisiche dei PhTC 3D, con un ulteriore vantaggio chiave. "La nostra versione 2D dei cristalli temporali fotonici può fornire amplificazione sia per le onde dello spazio libero che per le onde di superficie, mentre le loro controparti 3D non possono amplificare le onde di superficie", spiega Tretyakov.

Con la loro serie di vantaggi rispetto ai cristalli temporali 3D, i ricercatori prevedono un’ampia gamma di potenziali applicazioni tecnologiche per la loro progettazione.

"In futuro, i nostri cristalli temporali fotonici 2D potrebbero essere integrati in superfici intelligenti riconfigurabili alle frequenze delle microonde e delle onde millimetriche, come quelle nella prossima banda 6G", afferma Tretyakov. "Ciò potrebbe migliorare l'efficienza della comunicazione wireless."

Sebbene il loro metamateriale sia progettato specificamente per la manipolazione delle microonde, i ricercatori sperano che ulteriori aggiustamenti alla loro metasuperficie possano estenderne l’uso alla luce visibile. Ciò aprirebbe la strada allo sviluppo di nuovi materiali ottici avanzati.

Guardando più lontano nel futuro, Tretyakov e colleghi suggeriscono che i PhTC 2D potrebbero fornire una piattaforma conveniente per creare i “cristalli spazio-temporali” ancora più esoterici. Si tratta di materiali ipotetici che mostrerebbero schemi ripetitivi simultaneamente nel tempo e nello spazio.