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研究背景

光子時間晶體（PTC）是人工材料，其電磁特性在空間上均勻但在時間上周期性調制，因其能夠產生顯著的動量帶隙而成為研究熱點。光子時間晶體的研究不僅為實現光與物質的奇異相互作用提供了理論基礎，還為新型光學放大器、超光速孤子等現象的應用開辟了廣闊的前景。然而，設計和實現光子時間晶體面臨著諸多挑戰。當前，材料的時間調制需要極快的速度，并且晶體的折射率變化要接近1，這使得材料的選擇變得十分有限。此外，低損耗材料中的非線性效應較弱，導致難以實現足夠的折射率變化。而透明導電氧化物等材料雖然具備較大折射率變化，但其需要極高的泵浦功率密度，且容易導致熱損傷，限制了其應用。

成果簡介

有鑒于此，哈爾濱工程大學王旭辰教授課題組在Nature Photonics期刊上發表了題為“Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances”的最新論文。科學家們提出了基于共振人工復合材料的方法，嘗試通過引入高質量共振來解決這一問題。通過調制材料的共振頻率，研究人員能夠在低損耗材料和現實的激光功率條件下，創建具有明顯動量帶隙的光子時間晶體。這一方法不僅降低了所需的調制強度，還為實現光學頻率下的光子時間晶體提供了可行的材料平臺。相關研究已在體積材料和光學超表面中得到了驗證，為光子時間晶體的首次實驗實現鋪平了道路。

研究亮點

（1）實驗首次提出并實現了基于共振人工復合材料的光子時間晶體（PTC）設計方法，成功擴展了動量帶隙。該方法利用時變材料的共振特性，顯著降低了所需的調制強度，且可以在已知的低損耗材料和現實的激光泵浦功率下實現。

（2）實驗通過引入時間調制的共振材料，在光學頻率下實現了光子時間晶體的概念驗證。與傳統材料相比，采用此方法能夠有效地拓展動量帶隙，且該設計在體積材料和光學超表面中得到了驗證。該研究提供了一個新平臺，為光子時間晶體在光學領域的首次實驗實現鋪平了道路。

（3）實驗展示了時變材料在表面波和傳播波中的動量帶隙增強效果。在表面波情況下，時變材料能夠有效提升動量帶隙，而在傳播波情況下，通過合理設計可以實現更大的動量帶隙，顯著改善了光與物質的相互作用，為光子時間晶體的實際應用提供了可能。

圖文解讀

圖1：時變洛倫茲材料的能帶結構。

圖2：共振頻率調制的時變介質概念實現方法。

圖3：時變LC共振超表面的分析。

圖4：表面波動量帶隙增強示意圖。

圖5：傳播波大動量帶隙示意圖。

結論展望

本文通過在時變超表面中利用結構共振，研究者成功地實現了大幅度的動量帶隙增強，帶隙寬度提高了350倍，這為光學器件中的帶隙工程提供了新的思路。特別是，所提出的PTC可以覆蓋整個k空間，包括自由空間傳播模式和表面模式，這突破了傳統基于體材料的光子學器件的局限性。

此外，PTC的設計不僅能夠放大接近結構的發射體的自發輻射，還能夠有效放大消逝波，幫助實現高分辨率的成像系統。這一發現為設計完美透鏡、光子時空晶體等更復雜的光學系統提供了理論基礎和實踐可能。同時，盡管本文的PTC設計主要適用于紅外波段，但它也具有在可見光波段實現的潛力，且其元原子的形狀不局限于球形，具有廣泛的應用前景。

總的來說，本文為光子學和光學成像技術的創新開辟了新的研究方向，具有深遠的科學和工程意義。

文獻信息

Wang, X., Garg, P., Mirmoosa, M.S.?et al.?Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances.?Nat. Photon.?(2024).

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