全球首次！全光光子时间晶体问世，大幅降低光子损耗

由巴黎综合理工学院（École Polytechnique）、法兰西公学院（Collège de France）以及德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹研究中心（HZDR）组成的国际研究团队取得一项世界级突破：首次在实验上实现全光光子时间晶体（PTC）。这类材料的光学特性能够在超快时间尺度下实现高强度周期性调制。

该成果发表于《自然》期刊。研究团队依托HZDR的TELBE超辐射太赫兹光源，将实验系统推入全新的太赫兹波段光与物质相互作用区间。这项发现为超快光计算、新一代通信系统，乃至新型太赫兹激光器的研发铺平道路。

调控光与物质相互作用时的光学特性，是众多重大发现与技术革新的基础，光纤通信、激光光源、化学与生物传感器均建立在此基础之上。

巴黎综合理工学院的科研团队正在为一项尚未得到大规模应用的技术夯实基础。巴黎综合理工学院助理教授Yannis Laplace及其所在的辐照固体实验室（LSI）团队，正在研发能够在太赫兹（THz）频段操控光的新型光子器件。

太赫兹频段工作频率比电子元器件所用频率高出一千倍，相关研究发展迅猛，有望助力人类以全新视角观测并操控物质。

“太赫兹频段处于电子技术与光子技术的交界地带。”Laplace解释道，“无论对于基础科研还是产业发展，该频段都蕴藏大量机遇。但相较于电子、可见光光子技术，太赫兹技术的成熟度仍然偏低。光子时间晶体有望缩小这一技术差距。”

重大突破：从空间调控走向时间调控

传统光子晶体属于具备纳米结构的人工材料，拥有周期性光学晶格结构，可以控制光子传播。科研人员通过精准调控材料折射率与几何构型，能够阻挡、引导或是增强特定波长的光线，原理类似于半导体管控电子。

该团队此前已经证实，通过改变温度或磁场，可以调节光子晶体的捕光性能，但这类调控仅能实现静态控制。本次研究首次实现光子时间晶体：材料光学特性（例如反射率、谐振频率）能够在皮秒尺度动态调制，时间尺度与光自身振荡周期处于同一量级。

“将光子晶体从空间维度拓展至时间维度，我们打开了光调控的全新自由度，也找到了实现光放大与激光激射的全新路径。这或将彻底改变太赫兹及更高频段光子技术的发展格局。” 论文第一作者、巴黎综合理工学院博士生Tingwen Guo表示。

攻克艰巨的技术难题

想要实现光子特性随时间动态调控，科研团队必须搭建一套独一无二的复杂实验装置。在泰雷兹阿尔贝・费尔实验室与巴黎综合理工界面物理实验室（PICM）协助下，研究人员制备出一种特殊光子晶体 ——等离激元超材料。

该结构由微米尺度的锯齿形金结构、下层绝缘层，以及最底部的铟锑半导体材料构成。锯齿结构形成光学谐振腔，可以将光子束缚在金层与半导体之间。激发半导体表面会产生表面等离激元：电子形成集体振荡波，能够捕获光线并维持光场振荡。

研究人员借助HZDR ELBE加速器上频率可调、高功率的TELBE太赫兹光源，向该器件发射太赫兹激光脉冲。实验证实，材料光学特性，尤其是光反射能力，可以在极短时间内实现高强度调制。

这项实验难度极高：同时实现高强度调制（效果如同让物体发出完全不同颜色的光）与皮秒级超快响应（万亿分之一秒）一直是巨大挑战。

“TELBE能够产生高场强、相位稳定的太赫兹脉冲，是本次实验成功的关键。”TELBE装置负责人Jan-Christoph Deinert确认，“如果缺少这套实验平台，根本无法实现光子时间晶体所需的相干超快调制。”

除实验观测外，法兰西公学院研究员 Marco Schiró带领团队搭建理论模型，验证实验结果，并阐释光子在器件内部的演化规律。理论计算表明，时域调制能够让光子在超材料内部的损耗降低一半（损耗指光子未被反射、直接穿透材料表面的比例）。

“这套理论模型不仅能够复现实验现象，还将为该体系后续研究提供理论指引。”Schiró说道。

赋能下一代光学应用

研究团队下一步目标：进一步降低光子在晶体内部的损耗，提升器件束缚光子的能力。当放大水平达到临界阈值时，该体系有望打造出可调性能空前的全新激光器。

这项突破或将彻底改变光技术的应用方式，尤其在太赫兹领域。借助超快时域光调制技术，光子时间晶体有望催生用于医学成像、通信的新型超快激光器；同时支持按需实时调控光的属性，例如瞬时改变光的颜色、强度，支撑更加智能、自适应的光学系统。