Обычные фотонные кристаллы — это наноструктуры с периодически меняющимся показателем преломления, которые управляют потоком света так же, как полупроводники управляют током электронов. Они могут блокировать одни длины волн, пропускать другие и даже усиливать свет. Но до сих пор все такие кристаллы были статическими — их свойства задавались раз и навсегда при изготовлении.

Исследователи из Германии и Франции сделали следующий шаг: они создали «фотонный кристалл времени», в котором оптические свойства — например, отражательная способность и резонансная частота — модулируются динамически, во времени, с периодом, сравнимым с периодом колебаний самого света. Для этого была изготовлена особая структура — «плазмонный метаматериал»: микроскопические золотые «гребенки», под которыми расположен изолирующий слой и полупроводник из смеси индия и сурьмы. Эти золотые структуры действуют как резонаторы: они захватывают фотоны между золотом и полупроводником, а возбуждение поверхности полупроводника порождает «поверхностные плазмоны» — коллективные колебания электронов, способные удерживать свет.

Затем на эту структуру с помощью ускорителя электронов ELBE направили мощные терагерцовые импульсы. Результаты показали, что оптические свойства материала, в частности, отражательная способность можно в значительной степени менять за очень короткий отрезок времени.

Помимо этого, ученые разработали теоретическую модель, которая не только объяснила поведение фотонов, но и показала, что временная модуляция вдвое уменьшает рассеяние фотонов внутри метаматериала — то есть пропорцию фотонов, которые не отражаются от поверхности кристалла, а проходят сквозь нее.

Фотонные темпоральные кристаллы открывают возможность усиливать и модулировать свет на таких скоростях, которые недостижимы для обычных материалов, сообщает Phys. Если удастся еще больше увеличить захват и усиление фотонов, такие структуры могут стать основой для новых типов терагерцовых лазеров — компактных, перестраиваемых и сверхбыстрых.

Фотонные паруса, приводимые в движение мощными лазерами, способны, теоретически, разгонять беспилотные зонды до околосветовых скоростей, так что к соседним звездам можно было бы долететь за несколько десятилетий, а не за сотни тысяч лет. Группа ученых из США описала инновационную конструкцию паруса из фотонных кристаллов, более эффективную, чем все предшествующие разработки.