Ученые нашли способ усиливать свет с помощью кристаллов времени

Кристаллы времени — это недавно открытая фаза материи, которая постоянно меняется, никогда не сжигая энергию. Новые кристаллы времени, называемые фотонными, могут произвести революцию в индустрии связи.


Кристаллы времени любого рода являются абсолютно причудливыми творениями науки, впервые концептуализированными в 2012 году и впервые созданными несколько лет спустя. Они представляют собой совершенно новую фазу материи, состоящую из квантовых частиц, каждая из которых имеет так называемое направление спина. Они представляют собой совершенно новый вид материи, который никогда не может достичь равновесия. Как правило, если материя находится в своем базовом состоянии, такое явление невозможно, потому что материя не содержит энергии.

Чтобы создать кристаллы времени, исследователи из Университета Мэриленда соединили 10 атомов иттербия и облучили их двумя лазерами. Хотя атомы действительно осели в паттерн, они не смогли достичь равновесия, а это означает, что кристаллы постоянно остаются в движении, хотя они не содержат никакой энергии. Почти вся физика основана на изучении материи, находящейся в равновесии, поэтому способность создавать эти неравновесные кристаллы имеет огромное значение для будущего физики.

Совсем недавно ученые с помощью кристаллов времени нашли способ усиливать световые волны. Группа исследователей объявила, что они нашли способ сделать так называемые фотонные кристаллы времени, которые усиливают любой свет, проходящий через них.

Это новая фаза материи, но это действительно круто, потому что это один из первых примеров неуравновешенной материи
— ведущий исследователь Норман Яо из Калифорнийского университета в Беркли.

Исследователи говорят, что кристаллы времени напоминают желе. Когда вы прикасаетесь к желе, оно начинает дрожать. Единственное отличие в том, что кристаллы вибрируют без использования энергии, без какого-либо прикосновения. По определению, кристаллы времени никогда не могут перестать колебаться, независимо от того, как мало энергии они содержат.

Все это очень сложно, но факт: это бесконечное колебание не тратит энергию. Это полностью нарушает первый и второй законы термодинамики — вы получаете бесконечные изменения без энергии извне. Это невозможно, поэтому подобные кристаллы не должны существовать. Но они это существуют. Это один из случаев, где классическая физика не может объяснить квантовую сферу.

Таким образом, фотонные кристаллы времени являются оптическими материалами, которые используют энергетическую технологию, основанную на времени. Цель исследования состояла в том, чтобы создать материал, способный усилить конструктивную интерференцию — то, что происходит, когда длины волн света взаимодействуют между собой, суммируя свои яркость и мощность.

Ключом к раскрытию этого материала стало то, что концепции из 3D-мира были перенесены только в 2D.

Мы обнаружили, что уменьшение размерности от 3D до 2D структуры значительно облегчило реализацию, что позволило реализовать фотонные кристаллы времени в реальности. В фотонном кристалле времени фотоны расположены по схеме, которая повторяется с течением времени. Это означает, что фотоны в кристалле синхронизированы и когерентны, что может привести к конструктивной интерференции и усилению света
— Сюйчэнь Ван, научный сотрудник и ведущий автор статьи.

Помимо того, что 2D-кристаллы времени легче создавать, теоретически они довольно универсальны, особенно потому, что они могут усиливать сигналы, когда они проходят по всей длине поверхности кристалла. Исследователи считают, что они могут значительно помочь в области связи, сводя к минимуму потерю данных в ходе передачи и повышая мощность беспроводных передатчиков и приемников. Они также могут сделать несколько компонентов коммуникации более эффективными.