從空間維度拓展到時間維度——光子時間晶體實現太赫茲光超快調控

據最新一期《自然》雜志報道，法國巴黎綜合理工學院、法蘭西公學院以及德國德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心的國際研究團隊首次在實驗中實現了光子時間晶體，使材料光學性質能夠在皮秒尺度發生周期性變化，并實現了對太赫茲光的超快動態調控。這一突破將光子晶體對光的調控從空間維度拓展到時間維度，為超快光計算、新型通信系統，以及太赫茲激光器研發開辟了新路徑。

改變光與材料相互作用的方式，是光纖通信、激光器及化學和生物傳感器等技術發展的基礎。近年來，科學家不斷探索新的光調控方式，并關注其在太赫茲頻段的應用潛力。太赫茲頻段處于電子技術與光子技術的交界處，其頻率比當前電子元件使用頻率高約1000倍，有望為觀測和操控物質提供新手段，但相關技術開發仍相對滯后。

在物理學中，晶體指的是組成單元按照規則、周期性排列形成的結構。例如，在固體材料中，原子的排列方式決定了材料中電子的能量狀態，也影響其發出的光子的性質。20世紀80年代，科學家進一步發展出光子晶體，通過讓不同材料按照周期結構排列，利用材料折射率差異調控光的傳播行為。

光子晶體可以阻擋、引導或增強特定波長的光，其作用方式類似半導體控制電子運動。目前，光子晶體已成為眾多光子器件的重要基礎。不過，傳統光子晶體主要依靠空間結構調控光學性質。科學家進一步提出疑問，如果能夠讓材料的光學性質隨時間周期變化，是否可以形成一種“光子時間晶體”？

此前，這一領域的研究主要停留在理論層面，或者局限于基于電路的器件。此次研究中，科學家首次在實驗中實現了這一設想。他們展示了一種由光學元件構成的光子時間晶體器件，通過周期性改變材料的光學性質，實現了對光子的時間調控。該器件工作于太赫茲頻段。在這一頻段，光以每秒約1000億次的頻率振蕩。

該器件由微米尺度的金屬“垛口狀”結構組成，其下方依次為絕緣層和銦銻混合材料。這些結構能夠形成微型光學腔，使光子被限制在金屬層和半導體層之間。

研究團隊向該器件發射太赫茲激光脈沖后發現，材料的光學性質，尤其是反射光能力，能夠隨時間發生強烈調制。這是一項實驗突破，因為要同時實現強度足夠大、速度足夠快的調制極具挑戰性，這種變化需要發生在皮秒尺度，即萬億分之一秒的萬億分之一。

該器件的核心是半導體層。激光脈沖作用后，會產生科學家所稱的“表面等離激元”，即電子形成一種集體波動狀態。這種狀態的變化，會周期性改變材料與光相互作用的方式，從而導致器件光學性質發生變化。