Más rápido de lo que se puede explicar: los cristales fotónicos del tiempo podrían revolucionar la óptica

Un estudio reciente reveló oscilaciones del índice de refracción más rápidas de las que pueden explicar las teorías actuales.

Un estudio publicado recientemente en la revista nanofotónica Revela que ajustando rápidamente el índice de refracción (que es la relación entre la velocidad de la radiación electromagnética en un medio en comparación con su velocidad en el vacío) es posible producir cristales fotónicos de tiempo (PTC) en la parte casi visible de la Tierra. el espectro.

Los autores del estudio sugieren que la capacidad de preservar las PTC en el campo visual podría tener profundas implicaciones para la ciencia de la fotónica, permitiendo aplicaciones verdaderamente disruptivas en el futuro.

Los PTC, materiales cuyo índice de refracción sube y baja rápidamente con el tiempo, son el equivalente temporal de los cristales fotónicos en los que el índice de refracción oscila periódicamente en el espacio provocando, por ejemplo, la iridiscencia de los metales preciosos y las alas de los insectos.

Configuración experimental para refractómetro temporal en un sistema de ciclo único. Crédito: Irán Lustig et al.

Los PTC sólo son estables si se puede hacer que el índice de refracción aumente y disminuya en línea con un ciclo de ondas electromagnéticas en la frecuencia en cuestión. Por lo tanto, no es sorprendente que hasta ahora se hayan observado PTC en el extremo de frecuencia más baja del espectro electromagnético. espectro: con ondas de radio.

En este nuevo estudio, el autor principal Mordechai Segev del Instituto de Tecnología Technion-Israel, Haifa, Israel, junto con sus colaboradores Vladimir Shalev y Alexandra Boltseva de la Universidad Purdue, Indiana, EE. UU., y sus equipos enviaron imágenes extremadamente cortas (5-6 femtosegundos) pulsos de luz Láseres con una longitud de onda de 800 nm a través de materiales de óxido conductores transparentes.

Esto provocó un rápido cambio en el índice de refracción que se exploró con un rayo láser de sonda en una longitud de onda ligeramente más larga (infrarroja cercana). El haz de la sonda se desplazó rápidamente al rojo (aumentando su longitud de onda) y luego al azul (disminuyendo la longitud de onda) a medida que el índice de refracción del material volvía a su valor normal.

Espectrogramas de transmisión de pulsos de sonda de 44 fs pasados ​​a través de una muestra de ITO, modulando pulsos de diferentes anchos de tiempo. Crédito: Irán Lustig et al.

El tiempo necesario para cada uno de estos cambios en el índice de refracción fue mínimo (menos de 10 femtosegundos), por lo tanto, dentro del ciclo único necesario para formar un PTC estable.

«Los electrones excitados de alta energía en los cristales generalmente necesitan más de diez veces más tiempo para relajarse y volver a su estado fundamental, y muchos investigadores creen que la relajación ultrarrápida que observamos aquí sería imposible», dijo Segev. «No entendemos exactamente cómo sucede eso».

El coautor Shalev también señala que la capacidad de preservar los PTC en el dominio óptico, como se muestra aquí, «abrirá un nuevo capítulo en la ciencia de la fotónica y permitirá aplicaciones verdaderamente disruptivas». Sin embargo, sabemos poco sobre lo que podría ser, ya que en la década de 1960 los físicos conocían las posibles aplicaciones de los láseres.

Referencia: “Óptica refractiva temporal con modulación de ciclo único” por Iran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Chowdhury, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev y Mordejai Segev, 31 de mayo de 2023, nanofotónica.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

La investigación fue financiada por la Fundación Alemana de Investigación.