13.04.2023 • Photonik

Zeitkristall bringt Licht in Schwung

Entdeckung hat erstmals starke Wellenverstärkung in photonischen Zeitkristallen ermöglicht.

Photonische Zeitkristalle, deren Eigen­schaften sich periodisch ändern, versprechen wesentliche Fortschritte in Mikro­wellen­technik, Optik und Photonik. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie haben jetzt zusammen mit Partnern an der Aalto University und der Stanford University erstmals einen zwei­dimen­sionalen photonischen Zeitkristall hergestellt und wichtige Anwendungen demonstriert. Ihr Ansatz vereinfacht die Herstellung photonischer Zeitkristalle und kann die Effizienz künftiger Kommunikations­systeme verbessern.

Abb.: Ein photo­nischer Zeit­kristall in zwei Dimen­sionen kann Frei­raum-...
Abb.: Ein photo­nischer Zeit­kristall in zwei Dimen­sionen kann Frei­raum- und Ober­flächen­wellen ver­stärken. (Bild: X. Wang, KIT)

Bisher konzentrierte sich die Forschung im Bereich der photonischen Zeitkristalle auf Volumen­materialien, das heißt drei­dimen­sionale Strukturen. Die Realisierung von photonischen Zeitkristallen in solchen Materialien stellt aber eine enorme Heraus­forderung dar und die Experimente gingen bisher nicht über Modell­systeme hinaus. Zu praktischen Anwendungen dieser drei­dimen­sionalen Strukturen kam es noch nicht.

Bei dem jetzt hergestellten zwei­dimen­sionalen photonischen Zeitkristall handelt es sich um eine sehr dünne Schicht eines solchen Metamaterials. „Wir haben festgestellt, dass die Reduktion der Dimen­siona­lität von einer 3D- auf eine 2D-Struktur die Implemen­tierung erheblich vereinfacht. Dadurch wurde es möglich, photonische Zeitkristalle zu realisieren“, erklärt Xuchen Wang vom KIT. Das Team hat eine zwei­dimen­sionale elektro­magnetische Struktur entwickelt und synthetisiert. Diese enthält periodisch in der Zeit eingebettete, abstimmbare Komponenten, die ihre elektro­magne­tischen Eigen­schaften ändern. Durch den Einsatz dieser Struktur gelang es, das theoretisch vorher­gesagte Verhalten experi­mentell zu bestätigen. „Diese Entdeckung hat erstmals eine starke Wellen­ver­stärkung in photonischen Zeitkristallen ermöglicht“, erläutert Wang.

Die wegweisende Entwicklung ermöglicht Fortschritte in verschiedenen Technologien, beispielsweise bei der drahtlosen Kommunikation, bei integrierten Schaltkreisen und bei Lasern. Durch die Verstärkung elektro­magnetischer Wellen können drahtlose Sender und Empfänger künftig leistungs­fähiger und effizienter werden. Außerdem kann die Beschichtung von Oberflächen mit zwei­dimen­sionalen photonischen Zeitkristallen den Signalabfall bei der draht­losen Übertragung verringern. Dieser stellt häufig einen Engpass dar. Die Verwendung von zwei­dimen­sionalen photonischen Zeitkristallen kann zukünftig auch die Konstruktion von Lasern vereinfachen, da komplexe Spiegel­systeme, wie sie normaler­weise in Laser­resonatoren eingesetzt werden, nicht mehr erforderlich sind.

Eine weitere wichtige Anwendung ergibt sich aus der Erkenntnis, dass photonische Zeitkristalle in 2D nicht nur die eintreffenden elektro­magnetischen Wellen im freien Raum verstärken, sondern auch Ober­flächen­wellen, die für die Kommuni­kation zwischen elektronischen Komponenten in integrierten Schaltkreisen verwendet werden. Oberflächen­wellen leiden unter Verlusten durch Absorption im Material, wodurch die Signalstärke verringert wird. „Durch den Einsatz von zwei­dimen­sionalen photonischen Zeitkristallen, die das Ausbreitungs­medium bedecken, lässt sich die Oberflächen­welle verstärken, was die Kommunikations­effizienz verbessert“, sagt Wang.

KIT / RK

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