从空间维度拓展到时间维度——光子时间晶体实现太赫兹光超快调控
太赫兹电磁波诱导产生强烈、快速的时间调制，从而实现光子时间晶体——一种在时间维度上形成的光子晶格。图片来源：德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心
科技日报记者张佳欣
据最新一期《自然》杂志报道，法国巴黎综合理工学院、法兰西公学院以及德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心的国际研究团队首次在实验中实现了光子时间晶体，使材料光学性质能够在皮秒尺度发生周期性变化，并实现了对太赫兹光的超快动态调控。这一突破将光子晶体对光的调控从空间维度拓展到时间维度，为超快光计算、新型通信系统，以及太赫兹激光器研发开辟了新路径。
改变光与材料相互作用的方式，是光纤通信、激光器及化学和生物传感器等技术发展的基础。近年来，科学家不断探索新的光调控方式，并关注其在太赫兹频段的应用潜力。太赫兹频段处于电子技术与光子技术的交界处，其频率比当前电子元件使用频率高约1000倍，有望为观测和操控物质提供新手段，但相关技术开发仍相对滞后。
在物理学中，晶体指的是组成单元按照规则、周期性排列形成的结构。例如，在固体材料中，原子的排列方式决定了材料中电子的能量状态，也影响其发出的光子的性质。20世纪80年代，科学家进一步发展出光子晶体，通过让不同材料按照周期结构排列，利用材料折射率差异调控光的传播行为。
光子晶体可以阻挡、引导或增强特定波长的光，其作用方式类似半导体控制电子运动。目前，光子晶体已成为众多光子器件的重要基础。不过，传统光子晶体主要依靠空间结构调控光学性质。科学家进一步提出疑问，如果能够让材料的光学性质随时间周期变化，是否可以形成一种“光子时间晶体”？
此前，这一领域的研究主要停留在理论层面，或者局限于基于电路的器件。此次研究中，科学家首次在实验中实现了这一设想。他们展示了一种由光学元件构成的光子时间晶体器件，通过周期性改变材料的光学性质，实现了对光子的时间调控。该器件工作于太赫兹频段。在这一频段，光以每秒约1000亿次的频率振荡。
该器件由微米尺度的金属“垛口状”结构组成，其下方依次为绝缘层和铟锑混合材料。这些结构能够形成微型光学腔，使光子被限制在金属层和半导体层之间。
研究团队向该器件发射太赫兹激光脉冲后发现，材料的光学性质，尤其是反射光能力，能够随时间发生强烈调制。这是一项实验突破，因为要同时实现强度足够大、速度足够快的调制极具挑战性，这种变化需要发生在皮秒尺度，即万亿分之一秒的万亿分之一。
该器件的核心是半导体层。激光脉冲作用后，会产生科学家所称的“表面等离激元”，即电子形成一种集体波动状态。这种状态的变化，会周期性改变材料与光相互作用的方式，从而导致器件光学性质发生变化。
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