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二維光子時間晶體增強光波的示意圖。圖片來源：芬蘭阿爾托大學

芬蘭阿爾托大學、德國卡爾斯魯厄理工學院和美國斯坦福大學的研究團隊開發出一種創造光子時間晶體的方法，并表明這些奇異的人造材料可放大照射在它們身上的光。新發現發表在5日《科學進展》雜志上，或引領更高效、更強大的無線通信，并顯著改進激光器。

時間晶體最早是由諾貝爾獎得主弗蘭克·威爾切克于2012年提出的。人們熟悉的普通水晶具有在空間中重復的結構模式，但在時間晶體中，這種模式卻在時間中重復。去年，阿爾托大學低溫實驗室的研究人員已經創造了成對的時間晶體。

此次，新研究團隊制造了光子時間晶體，這是基于時間的光學材料版本。研究人員創造了在微波頻率下工作的光子時間晶體，他們證明這種晶體可放大電磁波。這種能力在各種技術中都有潛在的應用，包括無線通信、集成電路和激光。

到目前為止，對光子時間晶體的研究主要集中在塊狀材料上，也就是三維結構。團隊此次嘗試了一種新方法，構建一種被稱為超構表面的二維光子時間晶體。這種新的方法使研究人員能夠制造出光子時間晶體，并通過實驗驗證了關于其行為的理論預測。

研究人員表示，這是第一次證明光子時間晶體可高增益地放大入射光。在光子時間晶體中，光子以隨時間重復的模式排列。這意味著晶體中的光子是同步且相干的，這可能會導致光的相長干涉和放大。光子的周期性排列意味著它們也能以促進放大的方式相互作用。

二維光子時間晶體具有廣泛的潛在應用前景。通過放大電磁波，它們可以使無線發射器和接收器更強大或更高效。在表面涂覆2D光子時間晶體也有助于解決信號衰減問題，這是無線傳輸中的一個重要問題。

光子時間晶體還可通過消除激光腔中通常使用的大塊反射鏡來簡化激光器設計。此外，將二維光子時間晶體集成到電路系統中，可放大表面波，提高通信效率。

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