時間結晶（英：Time Crystal）は、過去10年間に発見されたメタマテリアルの中で最もエキサイティングなものの一つだろう。通常の結晶が空間的に繰り返される特性を持つのに対し、時間結晶は時間的に変化する特性を持つ。この奇妙な物体は、さまざまな応用を念頭に置いて研究されているが、そのうちの1つは、光をよりうまく使いこなすことに関係している。
研究者らは、2次元の「フォトニックタイムクリスタル」を設計することに成功したことを説明する研究結果を発表した。この研究結果は、送信機やレーザーなどの技術に大きな影響を与える可能性があるとしている。2012年に初めて提案された物質の相である、いわゆる「時間結晶」と名前は似ていますが、実際には異なる物だ。
“時間結晶”は、構成原子が量子状態で存在する特殊な結晶のこと。つまり、異質で “奇妙”な振る舞いをする。一方、“フォトニックタイムクリスタル”は自然界には存在せず、量子状態でも存在しない可能性がある。その代わり、光パルスを利用して、繰り返しの運動パターンを作り出す。
時間によって変化するその電磁気的性質が特徴となる。3次元のフォトニックタイムクリスタルを作ろうとすると、いろいろな課題がある。単に作るだけでなく、研究するにも厳しい条件がある。しかし、国際的なチームがこれを回避する方法を編み出した。メタサーフェスを使ったのだ。彼らは単純に、結晶を2次元にした。
「3D構造から2D構造に次元を下げることで、実装が大幅に簡略化されることを発見しました。これにより、フォトニックタイムクリスタルの実現が可能になりました」と、主執筆者であるカールスルーエ工科大学のXuchen Wang博士は声明の中で述べている。
研究チームは、3次元の「フォトニックタイムクリスタル」の構築と操作が困難であることから、この材料をさらに薄く（0.08インチ、2ミリメートル）することで新しいことに挑戦することにした。その結果、マイクロ波帯の光を増幅することができるようになったという。
最近、時間の二重スリット実験が生まれたのと同様に、フォトニックタイムクリスタルと相互作用することで、関係する光源の周波数も変化する。そして、光にとって周波数は、エネルギーに比例する。これらの結晶では、エネルギーは保存されないので、少なくとも理論的には、光は指数関数的に増幅されることが出来る。
つまりフォトニックタイムクリスタルは、光を制御しながら曲げたり増幅したりできるユニークな材料ということだ。科学者は、メタマテリアルを使って電磁気的特性を調整することで、ラボでこの材料を作ることが出来る。光がフォトニック・タイムクリスタルを通過するとき、光子は繰り返しのパターンで動き、同調してコヒーレンスを維持することが出来る。これは、レーザーが量子ビットをコヒーレントな状態に保ち、その量子特性を長持ちさせるのに役立つのと似ている。
「フォトニックタイムクリスタルでは、エネルギーは保存されない。したがって、運動量ギャップに存在する状態は、指数関数的に増大する振幅を持つことができます」と、新しい研究とは独立したテクニオンイスラエル工科大学の物理学者、Mordechai Segev氏は、Nature Photonicsとの2月のインタビューで述べている。「これは、関係する物理学に大きな影響を与えるものです」。
考えられる実用化には、フォトニクスに依存した機器が大半を占めている。例えば、2Dフォトニックタイムクリスタルで機器をコーティングすれば、ワイヤレス伝送強度を高めることができる。Wang氏はGizmodoに対し、チームの結晶が増幅できるのはマイクロ波周波数だけだとしても、アーキテクチャを少し変えれば、5G通信で使われるようなミリ波周波数で動作できるようになるかもしれないと述べている。
論文
- ScienceAdvances: Metasurface-based realization of photonic time crystals
参考文献
- Karlsruher Institut für Technologie: Metamaterialien: Zeitkristall bringt Licht in Schwung
- Nature Photonics: It’s a matter of time
- Gizmodo: Physicists Create Photonic Time Crystal That Amplifies Light
研究の要旨
フォトニックタイムクリスタルは、電磁気的性質が空間的に均一で、時間的に周期的に変化する人工材料だ。このような材料の合成とその物理の実験観察は、体積試料の材料特性の均一な変調が厳しく要求されるため、依然として非常に困難だ。本研究では、フォトニックタイムクリスタルの概念を2次元の人工構造物であるメタサーフェスに拡張することに成功した。時間変化するメタサーフェスは、より単純なトポロジーにもかかわらず、体積フォトニック時間結晶の主要な物理特性を保持するだけでなく、表面と自由空間の両方の電磁波が共有する共通の運動量バンドギャップを持つことを実証する。マイクロ波メタサーフェスの設計に基づき、運動量バンドギャップ内での指数関数的な波の増幅と、外部（自由空間）励起によるバンドギャップ物理の探索の可能性を実験的に確認した。提案したメタサーフェスは、新しいフォトニック時空結晶を実現するためのわかりやすい材料プラットフォームであり、将来の無線通信における表面波信号の増幅のための現実的なシステムとして機能するものである。
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