一个国际研究团队首次通过实验构建出全光学光子时间晶体——一种能随时间推移快速且重复地改变其光学行为的材料。这一突破有望为超快计算、新型智能通信系统、先进成像技术以及新一代高度可调谐激光器研究作出贡献。相关成果近日发表于《自然》。
操控光在材料内部的传播行为，已催生出塑造现代生活的诸多技术，光纤承载着通信网络信息、激光器提供高精度光源、光学传感器广泛应用于化学和生物学领域……而法国巴黎综合理工学院的Yannis Laplace的辐照固体实验室团队，致力于研发能控制太赫兹频段光的光子器件。
太赫兹频段处于电子技术与光子技术的交界处，其频率比当前电子元件使用频率高约1000倍，有望为观测和操控物质提供强有力的新途径。“无论对科学还是社会而言，这一频段都充满机遇，但与其电子学和光子学同类技术相比，它的开发相对滞后。而制造光子晶体有望补齐这一差距。”Laplace说。
传统光子晶体是一种纳米结构材料，包含重复的光学图案，这决定了光子在其中的运动方式。通过排列不同形状和折射率的材料，科学家能够阻挡、引导或增强特定波长的光。从这个角度看，光子晶体控制光子的方式类似于半导体控制电子。
Laplace团队的早期实验表明，温度和磁场可以改变光子晶体捕获光的能力。然而，一旦这些条件设定完毕，其光学行为便不会随时间改变。
而Laplace团队此次构建的全光学光子时间晶体的光学特性，如反射率、共振频率，能在皮秒（万亿分之一秒）的时间尺度上被动态改变。这已接近光自身振荡的时间尺度。除了空间上光学图案的排列外，光子时间晶体还在时间维度上引入了重复的图案。
“通过将光子晶体从空间拓展到时间，我们为光控制开辟了一个新的维度，也开启了一条通往光放大和激光发射的新路径。这可能彻底改变太赫兹频段及更广范围的光学技术。”论文第一作者、巴黎综合理工学院的博士生郭廷文（音）解释道。
然而，要实现如此快速的操控，需要复杂的专用器件。在Thales集团Albert Fert实验室和巴黎综合理工学院物理界面实验室的支持下，研究人员构建了一种等离子体超材料的光子晶体。该材料包含微米尺度的金质城垛状结构，位于绝缘层和由铟锑混合物制成的半导体之上。这些金结构形成了微小空腔，能将光限制在金层和半导体层之间。当半导体表面被激发时，会产生“表面等离子体”，即能捕获光并维持其振荡的电子集体激发波。这种相互作用为研究人员提供了一种以极高速度操控被捕获光子的方法。
研究团队将器件暴露于德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）TELBE超辐射太赫兹光源产生的激光脉冲下。由于TELBE能产生可调谐至不同频率的强太赫兹辐射，研究人员得以同时从强度和速度层面改变材料的光学性质，尤其是反射率。这种强度的改变，好比迫使一个物体发出完全不同颜色的光，且整个转变过程发生在皮秒尺度上。“TELBE能产生高场强、相位稳定的太赫兹脉冲，对实现这一点至关重要。”TELBE设施协调员Jan-Christoph Deinert说，“没有这一基础设施，是不可能实现光子时间晶体机制所需的那种相干、超快调制的。”
法国法兰西公学院研究员Marco Schiró团队开发的一个理论模型，支持了Laplace团队的实验发现，并帮助解释了光子在器件内部的行为方式。模型计算还表明，让材料随时间改变，可将光子耗散减半。耗散指的是那部分未被反射、穿过了超材料表面的光子。“该理论不仅重现了实验，也为指导这一系统的未来发现打下了基础。”Schiró表示。
研究人员希望进一步减少光子耗散，并增加晶体内容纳的光子数量。如果他们能产生足够强的放大效果，该器件或将成为高度可调谐激光器的研发基础。
光子时间晶体最终可能改变光在技术中的应用方式，尤其是在太赫兹频段。它们在极短时间尺度上改变光的能力，有望支撑用于医学成像和通信的超快激光器。
此外，这项技术有望使瞬时按需调节光的颜色或强度等特性成为可能。这种级别的控制能力，可能催生更快、更智能、适应性更强的光学系统。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10825-9
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