Più velocemente di quanto si possa spiegare: i cristalli temporali fotonici potrebbero rivoluzionare l’ottica

Uno studio recente ha rivelato oscillazioni dell’indice di rifrazione più rapide di quanto possa essere spiegato dalle teorie attuali.

Uno studio recentemente pubblicato sulla rivista nanofotonica Egli rivela che regolando rapidamente l’indice di rifrazione – che è il rapporto tra la velocità della radiazione elettromagnetica in un mezzo rispetto alla sua velocità nel vuoto – è possibile produrre cristalli del tempo fotonici (PTC) nella parte quasi visibile del pianeta. lo spettro.

Gli autori dello studio suggeriscono che la capacità di preservare le PTC nel campo visivo potrebbe avere profonde implicazioni per la scienza della fotonica, consentendo applicazioni davvero dirompenti in futuro.

I PTC, materiali il cui indice di rifrazione sale e scende rapidamente nel tempo, sono l’equivalente temporale dei cristalli fotonici in cui l’indice di rifrazione oscilla periodicamente nello spazio provocando, ad esempio, l’iridescenza dei metalli preziosi e le ali degli insetti.

Configurazione sperimentale per rifrattometro temporale in un sistema a ciclo singolo. Credito: Iran Lustig et al.

I PTC sono stabili solo se l’indice di rifrazione può essere fatto salire e scendere in linea con un ciclo di onde elettromagnetiche alla frequenza in questione. Pertanto, non sorprende che finora i PTC siano stati osservati all’estremità di frequenza più bassa del campo elettromagnetico. spettro: con le onde radio.

In questo nuovo studio, l’autore principale Mordechai Segev del Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israele, insieme ai collaboratori Vladimir Shalev e Alexandra Boltseva della Purdue University, Indiana, USA, e i loro team hanno inviato dati estremamente brevi (5-6 femtosecondi) impulsi di luce Laser con una lunghezza d’onda di 800 nm attraverso materiali di ossido conduttivo trasparente.

Ciò ha causato un rapido spostamento nell’indice di rifrazione che è stato esplorato con un raggio laser a sonda con una lunghezza d’onda leggermente più lunga (vicino infrarosso). Il raggio della sonda è stato rapidamente spostato verso il rosso (aumentando la sua lunghezza d’onda) e poi verso il blu (diminuendo la lunghezza d’onda) mentre l’indice di rifrazione del materiale è tornato al suo valore normale.

Spettrogrammi di trasmissione di impulsi sonda da 44 fs passati attraverso un campione ITO, modulando impulsi di diverse durate. Credito: Iran Lustig et al.

Il tempo impiegato per ciascuno di questi cambiamenti dell’indice di rifrazione è stato minimo, meno di 10 femtosecondi, quindi, all’interno del singolo ciclo necessario per formare un PTC stabile.

“Gli elettroni eccitati ad alta energia nei cristalli generalmente necessitano di un tempo dieci volte superiore per rilassarsi al loro stato fondamentale, e molti ricercatori ritengono che il rilassamento ultraveloce che osserviamo qui sarebbe impossibile”, ha detto Segev. “Non capiamo esattamente come ciò accada.”

Il coautore Shalev osserva inoltre che la capacità di preservare i PTC nel campo ottico, come dimostrato qui, “aprirà un nuovo capitolo nella scienza della fotonica e consentirà applicazioni davvero dirompenti”. Tuttavia, sappiamo poco di cosa potrebbe trattarsi, poiché già negli anni ’60 i fisici conoscevano le potenziali applicazioni dei laser.

Riferimento: “Ottica rifrattiva temporale con modulazione a ciclo singolo” di Iran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Chowdhury, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev e Mordechai Segev, 31 maggio 2023, nanofotonica.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

La ricerca è stata finanziata dalla Fondazione tedesca per la ricerca.