一作+通讯！哈尔滨工程大学，Nature Photonics！

研究背景

光子时间晶体（PTC）是人工材料，其电磁特性在空间上均匀但在时间上周期性调制，因其能够产生显著的动量带隙而成为研究热点。光子时间晶体的研究不仅为实现光与物质的奇异相互作用提供了理论基础，还为新型光学放大器、超光速孤子等现象的应用开辟了广阔的前景。然而，设计和实现光子时间晶体面临着诸多挑战。当前，材料的时间调制需要极快的速度，并且晶体的折射率变化要接近1，这使得材料的选择变得十分有限。此外，低损耗材料中的非线性效应较弱，导致难以实现足够的折射率变化。而透明导电氧化物等材料虽然具备较大折射率变化，但其需要极高的泵浦功率密度，且容易导致热损伤，限制了其应用。

成果简介

有鉴于此，哈尔滨工程大学王旭辰教授课题组在Nature Photonics期刊上发表了题为“Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances”的最新论文。科学家们提出了基于共振人工复合材料的方法，尝试通过引入高质量共振来解决这一问题。通过调制材料的共振频率，研究人员能够在低损耗材料和现实的激光功率条件下，创建具有明显动量带隙的光子时间晶体。这一方法不仅降低了所需的调制强度，还为实现光学频率下的光子时间晶体提供了可行的材料平台。相关研究已在体积材料和光学超表面中得到了验证，为光子时间晶体的首次实验实现铺平了道路。

研究亮点

（1）实验首次提出并实现了基于共振人工复合材料的光子时间晶体（PTC）设计方法，成功扩展了动量带隙。该方法利用时变材料的共振特性，显著降低了所需的调制强度，且可以在已知的低损耗材料和现实的激光泵浦功率下实现。

（2）实验通过引入时间调制的共振材料，在光学频率下实现了光子时间晶体的概念验证。与传统材料相比，采用此方法能够有效地拓展动量带隙，且该设计在体积材料和光学超表面中得到了验证。该研究提供了一个新平台，为光子时间晶体在光学领域的首次实验实现铺平了道路。

（3）实验展示了时变材料在表面波和传播波中的动量带隙增强效果。在表面波情况下，时变材料能够有效提升动量带隙，而在传播波情况下，通过合理设计可以实现更大的动量带隙，显著改善了光与物质的相互作用，为光子时间晶体的实际应用提供了可能。

图文解读

图1：时变洛伦兹材料的能带结构。

图2：共振频率调制的时变介质概念实现方法。

图3：时变LC共振超表面的分析。

图4：表面波动量带隙增强示意图。

图5：传播波大动量带隙示意图。

结论展望

本文通过在时变超表面中利用结构共振，研究者成功地实现了大幅度的动量带隙增强，带隙宽度提高了350倍，这为光学器件中的带隙工程提供了新的思路。特别是，所提出的PTC可以覆盖整个k空间，包括自由空间传播模式和表面模式，这突破了传统基于体材料的光子学器件的局限性。

此外，PTC的设计不仅能够放大接近结构的发射体的自发辐射，还能够有效放大消逝波，帮助实现高分辨率的成像系统。这一发现为设计完美透镜、光子时空晶体等更复杂的光学系统提供了理论基础和实践可能。同时，尽管本文的PTC设计主要适用于红外波段，但它也具有在可见光波段实现的潜力，且其元原子的形状不局限于球形，具有广泛的应用前景。

总的来说，本文为光子学和光学成像技术的创新开辟了新的研究方向，具有深远的科学和工程意义。

文献信息

Wang, X., Garg, P., Mirmoosa, M.S. et al. Expanding momentum bandgaps in photonic time crystals through resonances. Nat. Photon. (2024).

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