説明できないほどの速さ: 光時間結晶は光学に革命をもたらす可能性がある

最近の研究では、現在の理論で説明できるよりも速い速度で屈折率が振動していることが明らかになりました。

最近雑誌に掲載された研究 ナノフォトニクス この研究は、屈折率 (媒体中の電磁放射の速度と真空中の電磁放射の速度の比) を急速に調整することにより、スペクトルの近可視部分でフォトニックタイムクリスタル (PTC) を生成できることを明らかにしました。 。

研究著者らは、光学分野でPTCを保存できる能力はフォトニクスに重大な影響を及ぼし、将来真に破壊的な応用を可能にする可能性があると示唆している。

PTC は、時間の経過とともに屈折率が急速に上昇および下降する材料であり、その屈折率が空間内で周期的に振動し、たとえば貴金属や昆虫の羽の虹色を引き起こすフォトニック結晶と時間的に等価です。

シングルサイクルシステムでの屈折率測定の実験セットアップ。 クレジット: Iran Lustig 他

PTC が安定するのは、問題の周波数での電磁波の 1 サイクルに合わせて屈折率を上昇および下降させることができる場合のみです。そのため、当然のことながら、PTC はこれまで電磁スペクトルのより低い周波数端で観察されてきました。 ：電波で。

この新しい研究では、筆頭著者であるイスラエルのハイファにあるテクニオン・イスラエル工科大学のモルデチャイ・セゲブ氏、共同研究者である米国インディアナ州パーデュー大学のウラジミール・シャレフ氏とアレクサンドラ・ポルタセワ氏、およびそのチームは、非常に短い（5～6フェムト秒）送信した。 ) 光のパルス 透明な導電性酸化物材料を通過する波長 800 nm のレーザー。

これにより、屈折率の急速な変化が引き起こされ、わずかに長い波長（近赤外）のプローブレーザービームを使用して調査されました。 プローブビームは、材料の屈折率が通常の値に低下するにつれて、赤 (波長が増加) に急速にシフトし、次に青 (波長が減少) にシフトしました。

異なる時間幅のパルスを変調するための、ITO サンプルを通過した 44 fs プローブ パルスの透過スペクトログラム。 クレジット: Iran Lustig 他

これらの屈折率の変化にかかる時間はそれぞれ 10 フェムト秒未満と短く、安定した PTC を形成するのに必要な 1 サイクル内に収まりました。

「結晶内の高エネルギーで励起された電子は、通常、緩和して基底状態に戻るまでに10倍以上の時間を要しますが、多くの研究者は、ここで観察される超高速緩和は不可能であると信じています」とセゲブ氏は述べた。 「それがどのようにして起こるのか、私たちは正確には理解していません。」

共著者のシャレブ氏はまた、ここで示されているように、光学領域で PTC を保存できる能力は、「光科学の新たな章を開き、真に破壊的なアプリケーションを可能にする」だろうと示唆しています。 しかし、1960 年代の物理学者はレーザーの潜在的な応用について知っていたため、これがどのようなものであるかについてはほとんどわかっていません。

参考文献: 「シングルサイクル変調による時間屈折光学系」Eran Lustig、Ohad Segal、Soham Saha、Eliyahu Bordo、Sarah N. チョーダリー、ヨナタン・シャラビ、アヴナー・フライシャー、アレクサンドラ・ボルタセワ、オーレン・コーエン、ウラジミール・M. シャレフ、モルデチャイ・セゲブ、2023 年 5 月 31 日、 ナノフォトニクス。
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

この研究はドイツ研究財団から資金提供を受けました。