Открытие нового физического явления: фотонные временные кристаллы

В последние годы ученые активно экспериментируют с основными законами физики, и недавно они обнаружили еще одно доказательство того, что они называют фотонными временными кристаллами (ФВК): материалами, в которых очень быстро колеблется скорость движения света (показатель преломления).

Мы уже знаем гораздо больше о фотонных кристаллах, где повторяющийся узор в материале создает изменение показателя преломления в определенной области пространства; вы можете видеть это в переливах насекомых или драгоценных минералах. С ФВК вводится также элемент изменения со временем.

В данном исследовании ученые направляли лазеры на два материала, известных как прозрачные проводящие оксиды, которые позволяют свету проходить через себя, одновременно проводя электричество. Они использовали лазеры для быстрого изменения показателя преломления в течение периодов менее 10 фемтосекунд (это 10 квадриллионных долей секунды).

Исследователи наблюдали значительные изменения в частоте света и времени релаксации света (времени, необходимому для возвращения показателя преломления к нормальному состоянию), в зависимости от толщины материала и скорости изменения показателя преломления.

"Электроны, возбужденные до высокой энергии в кристаллах, обычно требуют в десять раз больше времени для релаксации обратно к своим основным состояниям, и многие исследователи полагали, что ультра-быстрая релаксация, которую мы наблюдаем здесь, была бы невозможна", - говорит физик Мордехай Сегев из Технион-Израильского института технологии.

"Мы до сих пор не понимаем точно, как это происходит".

Если ваша голова уже болит от высокоуровневой физики, то стоит знать, что существует несколько типов фотонных временных кристаллов. Исследования, проведенные здесь, отличаются от фотонных временных кристаллов, которые могут управлять светом для различных передовых целей.

До сих пор такие типы ФВК наблюдались только с использованием радиоволн, которые имеют гораздо более низкую частоту, чем световые волны - чем быстрее проходят волны, тем выше частота. Стабильность ФВК зависит от того, чтобы показатель преломления повышался и понижался в течение одного цикла электромагнитной волны.

Это гораздо более сложно в сверхбыстром мире световых волн, что и делает эти эксперименты такими интересными. Ученым еще не удалось наблюдать ФВК в видимом спектре света, но они приблизились к этому.

Как говорит Сегев, пока не ясно, почему это происходит или как это может быть использовано в будущем, но мы говорим о прорыве в физике - "новой главе в науке о свете", по словам Владимира Шалаева, электротехника из Пердьюского университета в США.

"Наши результаты... открывают путь к наблюдению фотонных временных кристаллов при оптических частотах и многим другим явлениям, связанным с границами времени", - пишут исследователи в своей опубликованной статье.

Исследование было опубликовано в журнале Nanophotonics.