Časové kryštály do dnešných dní patri medzi najzaujímavejšie metamateriály, aké poznáme. Vedcom v novej štúdii publikovanej v žurnále ScienceAdvances sa dokonca podarilo vytvoriť úplne nový druh časového kryštálu. Ten môže pomôcť prehĺbiť naše chápanie tohto podivného stavu hmoty. Na tému upozornil portál ScienceAlert.

Nie je to výmysel zo sci-fi filmu

Časové kryštály sú unikátne štruktúry, ktoré svojim spôsobom môžu pripomínať „klasické“ kryštály.

Ich existenciu predpovedal teoretický fyzik a laureát Nobelovej ceny, Frank Wilczek, ešte v roku 2012 a potvrdené boli v roku 2017, kedy sa vedcom z University of Maryland a Harvardu podarilo pri ultra-nízkych teplotách vytvoriť iba nanometer veľký časový kryštál.

Bing/Dall-E

Časové kryštály disponujú jednou veľmi špecifickou vlastnosťou. Kým „klasický“ kryštál je fyzikálne a chemicky rovnorodé teleso s pravidelnou trojrozmernou štruktúrou, časové kryštály sa periodicky opakujú nielen v priestore, ale i v čase.

Fotonické časové kryštály

Novým druhom  sú tzv. fotonické časové kryštály. Ako píše portál Gizmodo, napriek svojmu názvu fotonické časové kryštály majú s časovými kryštálmi len veľmi málo spoločné.

Spoločným znakom je to, že oba typy kryštálov majú štrukturálne vzory opakujúce sa v čase, ale zatiaľ čo časové kryštály patria medzi kvantové materiály (ich atómy sú v kvantových stavoch), fotonické časové kryštály sú umelo vytvorené materiály, ktorých atómy nie sú suspendované v kvantových stavoch.

Množstvo vedcov z celého sveta sa fotonické časové kryštály pokúša vytvoriť už niekoľko rokov. Pri pokuse o vytvorenie trojrozmerného fotonického časového kryštálu však narážali na veľké množstvo problémov, pretože na vytvorenie týchto objektov existujú prísne požiadavky, upozorňuje portál IFLScience.

Bing/Dall-E

V rámci novej štúdie medzinárodný tím vedcov pod vedením Xuchen Wanga z Technologického inštitútu v Karlsruhe prišiel so spôsobom, ako všetky tieto problémy obísť.

„Zistili sme, že zníženie rozmerov z 3D na 2D štruktúru výrazne zjednoduší implementáciu, čo umožnilo realizovať fotonické časové kryštály,“ uviedol Wang.

Bolo potrebné „zoštíhliť“ materiál

Vedci v podstate kryštál vytvorili z ultratenkých umelých plátkov známych ako metapovrch, čím 3D materiál premenili na 2D štruktúru.

Ukázalo sa, že zoštíhlenie tohto materiálu na zhruba 2 milimetre umožňuje kryštálu zosilniť svetlo na mikrovlnných frekvenciách.

Bing/Dall-E

Vo vede o materiáloch sa termín 2D materiál, alebo jednovrstvový materiál, vzťahuje na kryštalické pevné látky pozostávajúce z jednej vrstvy atómov.

„Vo fotonickom časovom kryštáli sú fotóny usporiadané do vzoru, ktorý sa v opakuje v čase,“ uvádza Wang. „To znamená, že fotóny v kryštáli sú synchronizované a koherentné, čo môže viesť ku konštruktívnej interfrencii a zosilneniu svetla (elektromagnetického vlnenia).“

Hoci 2D materiály sú jednoduchšie ako 3D štruktúry, ukázalo sa, že zdieľajú niektoré dôležité vlastnosti s fotonickými časovými kryštálmi a tak môžu napodobňovať ich správanie, vrátane toho, ako interagujú so svetlom.

„Je to prvýkrát, čo sa ukázalo, že fotonické časové kryštály zosilňujú svetlo týmto konkrétnym spôsobom a v tak významnej miere,“ uvádzajú.

Podobne, ako tomu bolo pri nedávnom experimente so štrbinami vytvorenými v čase, o ktorých sme  informovali v samostatnom článku, aj pri tomto experimente, interakcia fotonických časových kryštálov zmenila frekvenciu použitého svetelného zdroja.

Znázornenie toho, ako metapovrch zosilňuje svetlo. Wang et al., Science Advances, 2023

Aj keď využitie špeciálnych štruktúr v reálnom svete je zatiaľ na míle vzdialené, výskumy ako tento znamenajú prísľub ich aplikácie v budúcnosti – napríklad na veľké zosilnenie bezdrôtových signálov.