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Dec 08, 2023

Cristal de tempo fotônico amplifica microondas

Uma grande barreira para a criação de cristais de tempo fotônico no laboratório foi superada

Uma grande barreira para a criação de cristais de tempo fotônico em laboratório foi superada por uma equipe de pesquisadores na Finlândia, Alemanha e Estados Unidos. Sergei Tretyakov, da Aalto University, e seus colegas mostraram como as propriedades que variam no tempo desses materiais exóticos podem ser percebidas com muito mais facilidade em 2D do que em 3D.

Propostos pela primeira vez pelo Prêmio Nobel Frank Wilczek em 2012, os cristais do tempo são uma família única e diversificada de materiais artificiais. Você pode ler mais sobre eles e suas implicações mais amplas para a física neste artigo do Physics World de Philip Ball – mas, em poucas palavras, eles possuem propriedades que variam periodicamente no tempo. Isso é diferente dos cristais convencionais, que possuem propriedades que variam periodicamente no espaço.

Nos cristais de tempo fotônico (PhTCs), as propriedades variadas estão relacionadas à forma como os materiais interagem com as ondas eletromagnéticas incidentes. "A característica única desses materiais é a capacidade de amplificar as ondas de entrada devido à não conservação da energia das ondas nos cristais de tempo fotônico", explica Tretyakov.

Essa propriedade é resultado de "faixas proibidas de momento" em PhTCs, nas quais os fótons dentro de intervalos específicos de momentos são proibidos de se propagar. Devido às suas propriedades únicas de PhTCs, as amplitudes das ondas eletromagnéticas dentro desses bandgaps crescem exponencialmente ao longo do tempo. Em contraste, os bandgaps de frequência análoga que se formam em PhTCs de cristais fotônicos espaciais regulares fazem com que as ondas se atenuem com o tempo.

PhTCs são agora um assunto popular de estudo teórico. Até agora, os cálculos sugerem que esses cristais de tempo possuem um conjunto único de propriedades. Isso inclui estruturas topológicas exóticas e uma capacidade de amplificar a radiação de elétrons e átomos livres.

Em experimentos reais, no entanto, provou ser muito difícil modular as propriedades fotônicas de PhTCs 3D em todo o seu volume. Entre os desafios está a criação de redes de bombeamento excessivamente complexas – que criam interferências parasitárias com ondas eletromagnéticas que se propagam pelo material.

Em seu estudo, a equipe de Tretyakov descobriu uma solução simples para esse problema. “Reduzimos a dimensionalidade dos cristais de tempo fotônico de 3D para 2D, porque é muito mais fácil construir estruturas 2D em comparação com estruturas 3D”, explica ele.

A chave para o sucesso da abordagem da equipe está na física única das metasuperfícies, que são materiais feitos de matrizes 2D de estruturas de tamanho sub-comprimento de onda. Essas estruturas podem ser adaptadas em tamanho, forma e arranjo para manipular as propriedades das ondas eletromagnéticas recebidas de maneiras altamente específicas e úteis.

Depois de fabricar seu novo projeto de metasuperfície de micro-ondas, a equipe mostrou que seu bandgap de momento amplificou exponencialmente as micro-ondas.

Esses experimentos demonstraram claramente que as metasuperfícies variáveis ​​no tempo podem preservar as principais propriedades físicas dos PhTCs 3D, com um benefício adicional importante. “Nossa versão 2D de cristais de tempo fotônico pode fornecer amplificação para ondas de espaço livre e ondas de superfície, enquanto suas contrapartes 3D não podem amplificar ondas de superfície”, explica Tretyakov.

Com sua série de vantagens sobre os cristais do tempo 3D, os pesquisadores vislumbram uma ampla gama de potenciais aplicações tecnológicas para seu projeto.

“No futuro, nossos cristais de tempo fotônico 2D poderão ser integrados em superfícies inteligentes reconfiguráveis ​​em frequências de micro-ondas e ondas milimétricas, como as da próxima banda 6G”, diz Tretyakov. "Isso pode aumentar a eficiência da comunicação sem fio."

Embora seu metamaterial seja projetado especificamente para manipular microondas, os pesquisadores esperam que outros ajustes em sua metasuperfície possam estender seu uso à luz visível. Isso abriria caminho para o desenvolvimento de novos materiais ópticos avançados.

Olhando mais para o futuro, Tretyakov e seus colegas sugerem que os PhTCs 2D podem fornecer uma plataforma conveniente para a criação de "cristais de espaço-tempo" ainda mais esotéricos. Estes são materiais hipotéticos que exibiriam padrões repetidos no tempo e no espaço simultaneamente.