" class="wp-auto-featured-image wp-post-image" alt="利用光子时间晶体控制发光" decoding="async" loading="lazy" srcset=" 1000w, 300w, 768w" sizes="auto, (max-width: 1000px) 100vw, 1000px" />
传统光子技术依靠镜子、透镜和衍射光栅，在光穿过介质时对其进行塑形。材料科学的最新进展开辟了一条截然不同的路径。如今研究人员不再是在空间中塑造材料特性，而是能够在时间上动态调制它们。这种时间调制将被动介质转变为主动介质，因为调制行为本身可以注入或提取能量。在材料设计中增加时间维度，挑战了光与物质相互作用的长期观念，并揭示出不存在静态对应物的现象。韩国科学技术院（KAIST）的Bumki Min及其合作者，利用这种能力重塑了光子态密度（DOS），该物理量用于量化光可发射进入的可用光学模式数量。在此过程中，他们发现了光子态密度实际上变为负值的情况。他们的分析模型表明，一个小的发射器可以从调制过程本身获取能量，产生负辐射功率，这是一种与传统光发射概念相悖的反直觉效应。
1946年，Edward Purcell表明，类似偶极子的物体所发射的辐射，受到其环境的强烈影响，并且可以通过光子态密度进行控制。自那项开创性工作以来，研究人员开发了各种策略来增强或抑制光子态密度，从而为在经典和量子领域操纵光与物质的相互作用，提供了有力工具。Eli Yablonovitch和Sajeev John的开创性工作带来了里程碑式的进展。1987年，他们分别提出，周期性介电结构，即现在所知的光子晶体，可以被设计成具有光子带隙，即在某些频率范围内，光子态密度被强烈抑制。在这样的晶体中，跃迁频率在带隙内的量子发射器无法进行辐射衰变，因为没有可用的光子模式。这一见解激发了对在微腔和超材料中定制光子态密度的广泛研究，为精确控制光与物质的相互作用铺平了道路。
光子态密度决定了系统中可用的辐射通道数量，振荡偶极子发射的功率大致与之成正比。在具有较大光子态密度的被动环境中维持偶极子振荡，需要提供更多能量，这会导致更强的发射。几十年来，光子态密度与辐射过程强度之间的这种直接联系，一直是纳米光子器件设计的指导原则，如等离子体纳米天线、光学腔及相关结构。
Min及其合作者的工作偏离了传统方法。具体来说，他们考虑了在光子时间晶体中振荡的经典偶极子，即一种介电常数随时间周期性变化的材料。这种调制可用于直接向在介质中传播的电磁波提供能量。其机制与受驱动的机械摆本质上相同，当调制频率是自然振荡频率的两倍时，调节摆的长度最为有效，西班牙圣地亚哥 – 德孔波斯特拉大教堂的巨型香炉Botafumeiro就是著名的例子。类似地，在时间调制介质中传播的波，当其频率为调制频率的一半时，可以从调制中提取能量，导致参量放大，即由材料参数（在这种情况下为介电常数）的调制驱动的放大。
Floquet分析是一种用于表征周期性物理系统响应的数学框架。Min及其合作者将该技术应用于光子时间晶体，并得出两个主要发现。首先，他们表明在光子带隙边缘，波经历参量放大的地方，驱动振荡偶极子所需的功率变为负值。这一结果意味着偶极子振荡无需直接输入功率即可维持，偶极子实际上从调制中获取能量，这与早期关于相关时空晶体中负辐射功率的报道一致。这一结果可以解释为有效的负光子态密度。因为从经典角度来看，发射功率与光子态密度乘以偶极子振荡幅度的平方成正比。
第二个发现更引人注目。Min及其合作者援引经典 – 量子对应关系，表明使负光子态密度成为可能的相同机制，也可能允许他们称之为自发激发的过程。尽管他们的计算仍然是经典的，但这种对应关系意味着，在完全量子的环境中，与这种时间晶体耦合的两能级量子发射器，可能会随着调制向其提供能量而发生粒子数反转。在这种情况下，发射器将从基态跃迁到激发态，同时释放一个光子，这是在静态环境中没有类似情况的过程。
展望未来，实现这些想法面临一些挑战。一个核心问题是稳定性。此处所述的时间晶体本质上是不稳定的，因为参量放大不可避免地会导致失控增长，除非有饱和机制对其加以限制。一种可能的方向是探索有限尺寸版本的时间调制，例如具有随时间变化介电常数的介质球。这样的结构可以控制不稳定性，同时支持光与物质耦合的新机制。另一个挑战是实验可行性。为了与发射器有效相互作用，调制周期必须与发射器自身的振荡周期相当。在光频率下，这意味着要在飞秒时间尺度上调制材料响应。通常，这是通过光泵浦和探索光学非线性来实现的，但非线性通常较弱，需要高功率的泵浦。近零介电常数材料超快调制方面的进展，暗示了潜在的途径，而微波平台可能为实现光子时间晶体，提供最直接的试验台。
尽管存在这些挑战，这项工作传达的更广泛信息仍然清晰。通过赋予光子介质时间周期性，可以从根本上改变辐射过程的规则。无论首先在微波、太赫兹还是最终在光学系统中实现，光子时间晶体都提供了一个新的平台，在这个平台上，发射、吸收和放大的经典和量子概念，可能会被重新审视并从头重建。