Sneller dan kan worden verklaard: optische tijdkristallen kunnen een revolutie teweegbrengen in de optica

Uit een recent onderzoek zijn oscillaties in de brekingsindex sneller gebleken dan door de huidige theorieën kan worden verklaard.

Een onderzoek dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Nanofotonica Het laat zien dat door het snel aanpassen van de brekingsindex – de verhouding tussen de snelheid van elektromagnetische straling in een medium en de snelheid in een vacuüm – het mogelijk is om fotonische tijdkristallen (PTC’s) te produceren in het bijna zichtbare deel van het spectrum. .

De auteurs van het onderzoek suggereren dat het vermogen om PTC’s in het optische veld te behouden diepgaande gevolgen zou kunnen hebben voor de fotonica, waardoor in de toekomst echt disruptieve toepassingen mogelijk zouden worden.

PTC’s, materialen waarvan de brekingsindex snel stijgt en daalt in de loop van de tijd, zijn het tijdsequivalent van fotonische kristallen waarvan de brekingsindex periodiek in de ruimte oscilleert, wat bijvoorbeeld de irisatie van edele metalen en insectenvleugels veroorzaakt.

Experimentele opstelling voor refractometrie in een regime met één cyclus. Krediet: Iran Lustig et al.

Een PTC is alleen stabiel als de brekingsindex kan stijgen en dalen in lijn met een enkele cyclus van elektromagnetische golven op de betreffende frequentie. Het is dus niet verrassend dat PTC’s tot nu toe zijn waargenomen aan de lagere frequentiekant van het elektromagnetische spectrum. : met radiogolven.

In deze nieuwe studie stuurde hoofdauteur Mordechai Segev van het Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israël, samen met medewerkers Vladimir Shalev en Alexandra Poltaseva van Purdue University, Indiana, VS, en hun teams, extreem korte (5-6 femtoseconde) ) lichtpulsen Laser met een golflengte van 800 nm door transparante geleidende oxidematerialen.

Dit veroorzaakte een snelle verschuiving in de brekingsindex, die werd onderzocht met behulp van een sondelaserstraal met een iets langere golflengte (nabij-infrarood). De sondebundel werd snel verschoven naar rood (waardoor de golflengte toenam) en vervolgens naar blauw (waardoor de golflengte kleiner werd) toen de brekingsindex van het materiaal naar zijn normale waarde daalde.

Transmissiespectrogrammen van 44 fs sondepulsen gingen door het ITO-monster, voor het moduleren van pulsen met verschillende tijdsbreedten. Krediet: Iran Lustig et al.

De tijd die nodig was voor elk van deze veranderingen in de brekingsindex was klein – minder dan 10 femtoseconden – en dus binnen de ene cyclus die nodig was om een ​​stabiele PTC te vormen.

“Hoogenergetische elektronen in kristallen hebben over het algemeen meer dan tien keer zoveel tijd nodig om terug te ontspannen naar hun grondtoestand, en veel onderzoekers geloven dat de ultrasnelle ontspanning die we hier waarnemen onmogelijk zou zijn,” zei Segev. “We begrijpen niet precies hoe dat gebeurt.”

Co-auteur Shalev suggereert ook dat het vermogen om PTC’s in het optische domein te behouden, zoals hier getoond, “een nieuw hoofdstuk in de fotonische wetenschap zal openen en werkelijk ontwrichtende toepassingen mogelijk zal maken.” We weten echter weinig over hoe dit zou kunnen zijn, omdat natuurkundigen in de jaren zestig op de hoogte waren van mogelijke toepassingen voor lasers.

Referentie: “Tijdbrekingsoptiek met modulatie met één cyclus” door Eran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Choudary, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltaseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev, Mordechai Segev, 31 mei 2023, Nanofotonica.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

Het onderzoek werd gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting.