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Dec 08, 2023

광자 시간 결정은 마이크로파를 증폭시킵니다.

실험실에서 광자 시간 결정을 만드는 데 있어 주요 장벽이 극복되었습니다.

핀란드, 독일, 미국 연구팀이 실험실에서 광자 시간 결정체를 만드는 데 있어 주요 장벽을 극복했습니다. 알토 대학(Aalto University)의 Sergei Tretyakov와 동료들은 이러한 이국적인 물질의 시간에 따른 특성이 3D보다 2D에서 훨씬 더 쉽게 실현될 수 있는 방법을 보여주었습니다.

2012년 노벨상 수상자 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)이 처음 제안한 타임 크리스탈은 독특하고 다양한 인공 재료 계열입니다. Philip Ball이 쓴 Physics World 기사에서 이들에 대한 자세한 내용과 물리학에 대한 더 넓은 의미를 읽을 수 있습니다. 그러나 간단히 말해서 시간에 따라 주기적으로 변하는 속성을 가지고 있습니다. 이는 공간에서 주기적으로 변화하는 특성을 갖는 기존의 결정과는 다릅니다.

광자 시간 결정(PhTC)에서 다양한 특성은 재료가 입사 전자기파와 상호 작용하는 방식과 관련이 있습니다. "이러한 물질의 독특한 특성은 광자 시간 결정 내에서 파동 에너지가 보존되지 않아 들어오는 파동을 증폭시키는 능력입니다"라고 Tretyakov는 설명합니다.

이 속성은 특정 운동량 범위 내의 광자가 전파되는 것을 금지하는 PhTC의 "운동량 밴드갭"의 결과입니다. PhTC의 고유한 특성으로 인해 이러한 밴드갭 내 전자기파의 진폭은 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 대조적으로, 규칙적인 공간 광결정 PhTC에서 형성되는 유사한 주파수 밴드갭은 시간이 지남에 따라 파동을 감쇠시킵니다.

PhTC는 이제 이론 연구의 인기 있는 주제입니다. 지금까지의 계산에 따르면 이러한 타임 크리스탈은 고유한 특성을 갖고 있는 것으로 나타났습니다. 여기에는 이국적인 위상 구조와 자유 전자 및 원자로부터 방사선을 증폭시키는 능력이 포함됩니다.

그러나 실제 실험에서는 볼륨 전체에서 3D PhTC의 광자 특성을 변조하는 것이 매우 어려운 것으로 나타났습니다. 과제 중에는 재료를 통해 전파되는 전자기파에 기생 간섭을 일으키는 지나치게 복잡한 펌핑 네트워크를 생성하는 것이 포함됩니다.

Tretyakov 팀은 연구에서 이 문제에 대한 간단한 해결책을 발견했습니다. "3D 구조에 비해 2D 구조를 구성하는 것이 훨씬 쉽기 때문에 우리는 광자 시간 결정의 차원을 3D에서 2D로 줄였습니다."라고 그는 설명합니다.

팀 접근 방식의 성공의 열쇠는 파장 이하 크기 구조의 2D 배열로 만들어진 재료인 메타표면의 고유한 물리학에 있습니다. 이러한 구조는 매우 구체적이고 유용한 방식으로 들어오는 전자기파의 특성을 조작하기 위해 크기, 모양 및 배열을 맞춤화할 수 있습니다.

새로운 마이크로파 메타표면 디자인을 제작한 후 팀은 운동량 밴드갭이 마이크로파를 기하급수적으로 증폭한다는 것을 보여주었습니다.

이러한 실험은 시간에 따라 변하는 메타표면이 3D PhTC의 주요 물리적 특성을 보존할 수 있으며 한 가지 주요 추가 이점을 제공할 수 있음을 분명히 보여주었습니다. Tretyakov는 "우리의 2D 버전의 광자 시간 결정체는 자유 공간 파동과 표면파 모두에 대한 증폭을 제공할 수 있는 반면, 3D 버전의 광자 시간 결정체는 표면파를 증폭할 수 없습니다"라고 설명합니다.

3D 타임 크리스탈에 비해 많은 장점을 갖고 있는 연구원들은 디자인에 대한 광범위한 잠재적인 기술 적용을 구상하고 있습니다.

Tretyakov는 "미래에는 우리의 2D 광자 시간 결정이 곧 출시될 6G 대역과 같은 마이크로파 및 밀리미터파 주파수의 재구성 가능한 지능형 표면에 통합될 수 있을 것"이라고 말했습니다. "이것은 무선 통신 효율성을 향상시킬 수 있습니다."

메타물질은 마이크로파를 조작하기 위해 특별히 설계되었지만, 연구진은 메타표면을 추가로 조정하면 가시광선까지 그 용도가 확대될 수 있기를 바라고 있습니다. 이는 새로운 첨단 광학 소재 개발의 길을 열어줄 것입니다.

더 먼 미래를 내다보면서 Tretyakov와 동료들은 2D PhTC가 훨씬 더 난해한 "시공간 결정체"를 생성하기 위한 편리한 플랫폼을 제공할 수 있다고 제안했습니다. 이는 시간과 공간에서 동시에 반복되는 패턴을 나타내는 가상의 물질입니다.