研究人員已經開發出一種創建光子時間晶體的方法，並表明這些奇異的人造材料能夠放大照在它們身上的光線。發表在《科學進展》雜誌上的一篇論文中描述了這些發現，它們可能會帶來更高效和更強大的無線通信手段，並大大改善激光器的效率。

二維光子時間晶體如何提升光波的圖示。資料來源：Xuchen Wang/阿爾託大學

時間晶體最早是由諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek在2012年設想的。普通的晶體有一個在空間中重複的結構模式，但在時間晶體中，該模式在時間中重複。雖然一些物理學家最初對時間晶體的存在持懷疑態度，但最近的實驗已經成功地創造了它們。去年，阿爾託大學低溫實驗室的研究人員創造了成對的時間晶體，可能對量子設備有用。

現在，另一個團隊製造了光子時間晶體，這是基於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，他們表明，這種晶體可以放大電磁波。這種能力有可能應用於各種技術，包括無線通信、集成電路和激光器。

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，即三維結構。這已被證明是巨大的挑戰，而且實驗還沒有超越沒有實際應用的模型系統。因此，包括來自阿爾託大學、卡爾斯魯厄理工學院（KIT）和斯坦福大學的研究人員在內的該團隊嘗試了一種新的方法：建立一個二維光子時間晶體，它被稱為元表面。

該研究的主要作者王旭晨說：”我們發現，將維度從三維結構減少到二維結構，使得實施起來非常容易，這使得在現實中實現光子時間晶體成為可能，”他曾是阿爾託的博士生，目前在KIT工作。

這種新方法使研究小組能夠製造出光子時間晶體，並在實驗中驗證關於其行為的理論預測。”我們首次證明了光子時間晶體能夠以高增益放大入射光，”王說。

“在光子時間晶體中，光子被安排在一個隨時間重複的模式中。這意味著晶體中的光子是同步和相干的，這可以導致光的建設性干擾和放大，光子的周期性排列意味著它們也能以促進放大的方式進行互動。”

二維光子時間晶體有一系列的潛在應用。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有效。王指出，用二維光子時間晶體塗抹表面也可以幫助解決信號衰減問題，這是無線傳輸中的一個重要問題。光子時間晶體還可以簡化激光器的設計，因為它不再需要通常用於激光腔的大塊反射鏡。

另一個應用來自於這樣的發現：二維光子時間晶體不僅能放大在自由空間中擊中它們的電磁波，還能放大沿表面傳播的波。表面波被用於集成電路中電子元件之間的通信。”當表面波傳播時，它受到材料損失的影響，信號強度也會降低。通過將二維光子時間晶體集成到系統中，表面波可以被放大，通信效率也得到提高。”