光子時間晶體正成為新風口

一個國際研究團隊近日首次在實驗中制備出全光學光子時間晶體（PTC）。這是一種被設計成能在時間維度上快速且反復改變自身光學特性的材料。相關成果發表于《自然》（Nature）雜志，標志著人類在主動操控光的行為方面邁出了歷史性的一步，也意味著我們距離用光來傳輸、計算和存儲信息的新時代更近了一步。

這支研究團隊由來自法國巴黎綜合理工學院、法蘭西公學院以及德國亥姆霍茲德累斯頓－羅森多夫研究中心的科學家共同組成。實驗的成功關鍵得益于亥姆霍茲中心功率強大的 TELBE 超輻射太赫茲光源。該裝置使科學家得以在太赫茲波段探索一種此前根本無法觸及的光與物質相互作用形式。

在巴黎綜合理工學院受輻照固體實驗室，助理教授 Yannis Laplace 和他的團隊長期致力于在太赫茲頻率范圍內控制光行為的光子器件研究。他們指出，太赫茲波段位于傳統電子學與光子學之間，是一片長期被低估的電磁頻譜區間。該頻段的頻率比電子元件所用頻率快約一千倍，因此有潛力為審視和操控物質提供全新技術手段。

Laplace 表示，太赫茲范圍代表著電子技術與光子技術之間的前沿，這一區間在科學與社會層面都充滿機遇，但在技術上仍遠不如電子和光子對應技術發達。他認為，制造光子晶體有望引領縮小這一鴻溝，而此次時間晶體的實現正是朝這個方向邁出的關鍵一步。

傳統光子晶體是納米結構材料，能在空間上調控光的傳播；而所謂時間晶體，則把這種周期性從空間維度延伸到了時間維度，使材料特性隨時間節律變化。這種全新的自由度，為光的產生、放大與整形提供了前所未有的靈活度。

研究人員展望，這種光子時間晶體方法未來可望為超快光計算機、先進電信網絡以及完全新型的太赫茲激光器做出貢獻。由于太赫茲波能夠穿透許多不透明材料并進行無損檢測，相關技術還可能在安全檢查、醫學成像和材料分析等領域發揮作用。

事實上，控制光在材料內部的傳播行為早已催生了塑造現代生活的諸多技術。光纖承載著通信網絡中的海量信息，激光器提供了極高精度的光源，而光學傳感器則被廣泛應用于化學與生物領域。光子時間晶體的出現，有望在上述基礎上打開一扇通往全新光操控范式的大門。

時間晶體的概念最初由物理學家 Frank Wilczek 于 2012 年提出，指在時間維度上呈現周期性有序態的系統。此前的實現多局限于原子或電子體系，而本研究首次把這一概念落到可被光直接調控的頻段，因此被稱為全光學光子時間晶體。

在安檢領域，太赫茲波可穿透衣物與紙張探測隱藏物品，且屬于非電離輻射，比 X 射線更安全；在醫學成像中，它能識別皮膚癌組織特有的水分子振動特征，實現早期無創診斷，這令相關技術備受期待。

在超快光計算方面，用光而非電子來搬運與處理信息，有望規避電子器件固有的發熱與延遲瓶頸。光子時間晶體為按需調制光脈沖提供了全新手段，可能催生更緊湊、更高效的光學邏輯元件。

通信領域同樣受益：隨著數據流量持續激增，片上與數據中心內部的光互連需求不斷上升。此類晶體若能穩定制備，可支撐更高帶寬、更低能耗的光信號處理模塊，緩解算力的能效壓力。

盡管從實驗室首例走向實際器件仍有距離，這一成果驗證了"在時間中雕刻光"的可行性，為后續可重構光子材料的設計樹立了里程碑，也為長期處于空白的太赫茲科學與技術注入了全新動力。

原始鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260731034131.htm（來源：ScienceDaily）