一個國際研究團隊首次通過實驗構建出全光學光子時間晶體——一種能隨時間推移快速且重復地改變其光學行為的材料。這一突破有望為超快計算、新型智能通信系統、先進成像技術以及新一代高度可調諧激光器研究作出貢獻。相關成果近日發表于《自然》。
操控光在材料內部的傳播行為，已催生出塑造現代生活的諸多技術，光纖承載著通信網絡信息、激光器提供高精度光源、光學傳感器廣泛應用于化學和生物學領域……而法國巴黎綜合理工學院的Yannis Laplace的輻照固體實驗室團隊，致力于研發能控制太赫茲頻段光的光子器件。
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強有力的新途徑。“無論對科學還是社會而言，這一頻段都充滿機遇，但與其電子學和光子學同類技術相比，它的開發相對滯后。而制造光子晶體有望補齊這一差距。”Laplace說。
傳統光子晶體是一種納米結構材料，包含重復的光學圖案，這決定了光子在其中的運動方式。通過排列不同形狀和折射率的材料，科學家能夠阻擋、引導或增強特定波長的光。從這個角度看，光子晶體控制光子的方式類似于半導體控制電子。
Laplace團隊的早期實驗表明，溫度和磁場可以改變光子晶體捕獲光的能力。然而，一旦這些條件設定完畢，其光學行為便不會隨時間改變。
而Laplace團隊此次構建的全光學光子時間晶體的光學特性，如反射率、共振頻率，能在皮秒（萬億分之一秒）的時間尺度上被動態改變。這已接近光自身振蕩的時間尺度。除了空間上光學圖案的排列外，光子時間晶體還在時間維度上引入了重復的圖案。
“通過將光子晶體從空間拓展到時間，我們為光控制開辟了一個新的維度，也開啟了一條通往光放大和激光發射的新路徑。這可能徹底改變太赫茲頻段及更廣范圍的光學技術。”論文第一作者、巴黎綜合理工學院的博士生郭廷文（音）解釋道。
然而，要實現如此快速的操控，需要復雜的專用器件。在Thales集團Albert Fert實驗室和巴黎綜合理工學院物理界面實驗室的支持下，研究人員構建了一種等離子體超材料的光子晶體。該材料包含微米尺度的金質城垛狀結構，位于絕緣層和由銦銻混合物制成的半導體之上。這些金結構形成了微小空腔，能將光限制在金層和半導體層之間。當半導體表面被激發時，會產生“表面等離子體”，即能捕獲光并維持其振蕩的電子集體激發波。這種相互作用為研究人員提供了一種以極高速度操控被捕獲光子的方法。
研究團隊將器件暴露于德國德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）TELBE超輻射太赫茲光源產生的激光脈沖下。由于TELBE能產生可調諧至不同頻率的強太赫茲輻射，研究人員得以同時從強度和速度層面改變材料的光學性質，尤其是反射率。這種強度的改變，好比迫使一個物體發出完全不同顏色的光，且整個轉變過程發生在皮秒尺度上。“TELBE能產生高場強、相位穩定的太赫茲脈沖，對實現這一點至關重要。”TELBE設施協調員Jan-Christoph Deinert說，“沒有這一基礎設施，是不可能實現光子時間晶體機制所需的那種相干、超快調制的。”
法國法蘭西公學院研究員Marco Schiró團隊開發的一個理論模型，支持了Laplace團隊的實驗發現，并幫助解釋了光子在器件內部的行為方式。模型計算還表明，讓材料隨時間改變，可將光子耗散減半。耗散指的是那部分未被反射、穿過了超材料表面的光子。“該理論不僅重現了實驗，也為指導這一系統的未來發現打下了基礎。”Schiró表示。
研究人員希望進一步減少光子耗散，并增加晶體內容納的光子數量。如果他們能產生足夠強的放大效果，該器件或將成為高度可調諧激光器的研發基礎。
光子時間晶體最終可能改變光在技術中的應用方式，尤其是在太赫茲頻段。它們在極短時間尺度上改變光的能力，有望支撐用于醫學成像和通信的超快激光器。
此外，這項技術有望使瞬時按需調節光的顏色或強度等特性成為可能。這種級別的控制能力，可能催生更快、更智能、適應性更強的光學系統。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10825-9