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

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

Un estudio publicado recientemente en la revista Nanofotónica Revela que ajustando rápidamente el índice de refracción (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 del espectro. .

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

Los PTC, materiales cuyo índice de refracción aumenta y disminuye rápidamente con el tiempo, son el equivalente temporal de los cristales fotónicos cuyo 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 refractometría en régimen de ciclo único. Crédito: Irán Lustig et al.

Un PTC solo es estable si se puede hacer que el índice de refracción aumente y disminuya en línea con un único ciclo de ondas electromagnéticas en la frecuencia en cuestión, por lo que, como era de esperar, hasta ahora se han observado PTC en el extremo de frecuencia más baja del espectro electromagnético. : 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 Poltaseva de la Universidad Purdue, Indiana, EE.UU., y sus equipos, enviaron mensajes extremadamente cortos (5-6 femtosegundos) ) pulsos de luz Láser 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 utilizando un rayo láser de sonda con una longitud de onda ligeramente más larga (infrarrojo cercano). El haz de la sonda cambió rápidamente a rojo (aumentando su longitud de onda) y luego a azul (disminuyendo su longitud de onda) a medida que el índice de refracción del material caía a su valor normal.

Espectrogramas de transmisión de pulsos de sonda de 44 fs pasados ​​a través de la muestra de ITO, para modular 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 pequeño (menos de 10 femtosegundos) y, por lo tanto, estuvo dentro del ciclo 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 sugiere que la capacidad de preservar los PTC en el dominio óptico, como se muestra aquí, “abrirá un nuevo capítulo en la ciencia fotónica y permitirá aplicaciones verdaderamente disruptivas”. Sin embargo, sabemos poco sobre cómo podría ser esto, ya que los físicos de la década de 1960 conocían las posibles aplicaciones de los láseres.

Referencia: “Óptica refractiva en el tiempo con modulación de ciclo único” por Eran Lustig, Ohad Segal, Soham Saha, Eliyahu Bordo, Sarah N. Choudary, Yonatan Sharabi, Avner Fleischer, Alexandra Boltaseva, Oren Cohen, Vladimir M. Shalev, Mordejai Segev, 31 de mayo de 2023, Nanofotónica.
DOI: 10.1515/nanov-2023-0126

La investigación fue financiada por la Fundación Alemana de Investigación.