Традиционные оптические технологии используют зеркала, линзы и дифракционные решётки для управления светом. Однако недавние достижения в области материаловедения открыли совершенно новый путь. Вместо того чтобы формировать свойства материала в пространстве, исследователи теперь могут динамически модулировать их во времени [1].
Такая временная модуляция превращает пассивную среду в активную, поскольку сам процесс модуляции может вводить или извлекать энергию. Добавление временного измерения в дизайн материалов противоречит устоявшимся представлениям о взаимодействии света и вещества и открывает явления, не имеющие статических аналогов.
Бумки Мин из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и его коллеги использовали эту возможность для изменения фотонной плотности состояний (DOS), которая количественно определяет количество доступных оптических мод, в которых может излучаться свет [2]. Они обнаружили режимы, в которых DOS становится эффективно отрицательным.
Их аналитическая модель показывает, что небольшой излучатель может черпать энергию из самого процесса модуляции, производя отрицательную излучаемую мощность — парадоксальный эффект, который противоречит традиционной концепции светового излучения.
Управление излучением света с помощью фотонных временных кристаллов
В 1946 году Эдвард Перселл показал, что излучение, испускаемое дипольным объектом, сильно зависит от его окружения и может контролироваться через фотонную DOS [3]. С тех пор исследователи разработали множество стратегий для усиления или подавления фотонной DOS, предоставляя мощные инструменты для манипулирования взаимодействием света и вещества как в классическом, так и в квантовом режимах.
Знаковым достижением стала новаторская работа Эли Яблонновича [4] и Саджива Джона [5]. В 1987 году они независимо предположили, что периодические диэлектрические структуры, теперь известные как фотонные кристаллы, могут быть спроектированы так, чтобы иметь фотонные запрещённые зоны — диапазоны частот, в которых фотонная DOS сильно подавлена.
В таком кристалле квантовый излучатель с частотой перехода внутри запрещённой зоны не может подвергаться излучательному распаду, поскольку для него нет доступных фотонных мод. Это открытие стимулировало обширные исследования по адаптации фотонной DOS в микрополостях и метаматериалах, проложив путь для точного контроля взаимодействия света и вещества.
Новый подход
Работа Мина и его коллег отличается от традиционного подхода. Они рассмотрели классический диполь, колеблющийся в фотонном временном кристалле — материале, диэлектрическая проницаемость которого периодически изменяется во времени. Такая модуляция может использоваться для прямой подачи энергии в электромагнитную волну, распространяющуюся в среде [1].
Механизм по сути аналогичен механизму, лежащему в основе управляемого механического маятника, где модуляция длины маятника наиболее эффективна, когда частота модуляции в два раза превышает частоту собственных колебаний, что ярко продемонстрировано на примере Ботафумейро, гигантского кадила собора Сантьяго-де-Компостела [6] (рис. 1).
По аналогии, волна, распространяющаяся в среде с временной модуляцией, может извлекать энергию из модуляции, когда её частота вдвое меньше частоты модуляции, что приводит к параметрическому усилению — усилению, обусловленному модуляцией параметра материала, в данном случае диэлектрической проницаемости.
Флоке-анализ — это математический инструмент для описания отклика периодических физических систем. Мин и его коллеги применили этот метод к фотонному временному кристаллу и пришли к двум основным выводам.
Во-первых, они показали, что на краях фотонной запрещённой зоны, где волны испытывают параметрическое усиление, мощность, необходимая для поддержания колебаний диполя, становится отрицательной. Это означает, что колебания диполя могут поддерживаться без прямого ввода мощности, и диполь эффективно черпает энергию из модуляции, что согласуется с более ранними сообщениями об отрицательной излучаемой мощности в родственных кристаллах пространства-времени [7].
Второй вывод ещё более поразителен. Мин и его коллеги использовали соответствие классическому и квантовому описанию, чтобы предположить, что тот же механизм, который обеспечивает отрицательную фотонную DOS, может также позволить процесс, который они называют спонтанным возбуждением. Хотя их расчёты оставались классическими, соответствие подразумевает, что в полностью квантовом состоянии двухуровневый квантовый излучатель, связанный с таким временным кристаллом, может испытывать инверсию населённостей, поскольку модуляция снабжает его энергией.
В этой картине излучатель переходит из своего основного состояния в возбуждённое, испуская фотон, процесс, не имеющий аналога в статических условиях (рис. 2).
Перспективы
Центральной проблемой является стабильность. Временные кристаллы, описанные здесь, по своей природе нестабильны, поскольку параметрическое усиление неизбежно приводит к неконтролируемому росту, если его не ограничивает механизм насыщения [8].
Одним из возможных направлений является изучение конечных версий временной модуляции, таких как диэлектрическая сфера с изменяющейся во времени диэлектрической проницаемостью. Такие структуры могут сдерживать нестабильности, поддерживая новые режимы взаимодействия света и вещества.
Другой проблемой является экспериментальная осуществимость. Чтобы эффективно взаимодействовать с излучателем, период модуляции должен быть сопоставим с периодом колебаний самого излучателя. В оптических частотах это означает модуляцию отклика материала на фемтосекундных временных масштабах. Обычно это достигается с помощью оптической накачки и исследования оптических нелинейностей, но нелинейности обычно слабы и требуют накачки с высокой мощностью.
Несмотря на эти проблемы, более широкий посыл этой работы остаётся ясным. Наделив фотонные среды временной периодичностью, можно фундаментально изменить правила излучательных процессов. Будь то микроволновые, терагерцовые или, в конечном итоге, оптические системы, фотонные временные кристаллы предлагают новую площадку, где классические и квантовые представления об излучении, поглощении и усилении могут быть пересмотрены и перестроены с нуля.
Новый материал решает три проблемы
Пластик, известный как акрил или плексиглас, используемый в очках, аквариумах и многих других продуктах, имеет общую проблему с аналогичными материалами: увеличение его прочности обычно делает его более хрупким. Попытки уменьшить хрупкость или увеличить прочность также обычно повышают вязкость расплава материала, что усложняет его обработку.
Теперь группа химиков показала, что добавление наночастиц в материал может увеличить как прочность, так и сопротивление разрушению, одновременно снижая вязкость расплава [1]. Команда надеется, что открытие приведёт к упрощению производства широкого класса улучшенных полимерных материалов.
Трилемма прочности и вязкости
Учёные-полимерщики давно столкнулись с фундаментальной трудностью, называемой трилеммой прочности, вязкости и технологичности [2]. Прочность — это количество напряжения, которое материал может выдержать, прежде чем начнёт деформироваться, а вязкость отражает, сколько энергии материал может поглотить, прежде чем разрушится.
Некоторые исследователи смогли улучшить прочность и вязкость, добавив нанокристаллы, образованные из органических молекул. В кристаллах молекулы образуют жёсткие сети, включающие множество пор размером в нанометры. При смешивании с полимером эти кристаллы действуют как микроскопические сита. Когда полимерные цепи движутся, они вынуждены проходить через поры или выравниваться с ними, что ограничивает подвижность цепей.
Однако этот метод обычно увеличивает вязкость расплава, усложняя обработку.
Открытие двух десятилетий назад
Открытие двух десятилетий назад показало, что добавление наночастиц в полимер может снизить вязкость, если наночастицы не жёсткие, а имеют деформируемые поверхности [2]. В 2019 году с помощью моделирования и экспериментов Цянь и другие объяснили, почему этот трюк работает: длинные цепи полимера могут частично проникать и скользить по неровным гибким поверхностям мягких наночастиц [3].
В расплаве деформируемость позволяет частицам действовать как смазка, которая помогает соседним сегментам полимерных цепей быстро распутываться, снижая вязкость расплава.
Вооружившись этим пониманием, исследователи теперь пошли ещё дальше, чтобы показать, как использовать этот эффект для улучшения класса материалов, называемых полимерными стёклами, к которым относится плексиглас. В экспериментах они использовали полимер поли(этилметакрилат), в который добавили наночастицы, изготовленные из скрученных одноцепочечных полимеров.
Они сравнили свойства двух таких смешанных полимеров: один с просто смешанными наночастицами, а второй — с химически связанными (сшитыми) наночастицами с фоновыми полимерами. Используя стандартные методы измерения, они обнаружили, что обе процедуры увеличили прочность и вязкость. Однако команда была удивлена, что смешанная полимерная смесь также снизила вязкость расплава.
Дальнейшие эксперименты и молекулярно-динамическое моделирование выявили дополнительные необычные свойства смешанного полимера. В полимерном стекле под напряжением микроскопические сети волокон и пустот могут образоваться как предшественники момента разрушения — процесс, называемый образованием трещин. Этот процесс обычно ослабляет материал и приводит к внезапному хрупкому разрушению.
Но в новом смешанном нанокомпозите моделирование показало, что наночастицы перемещаются во время растяжения и образуют стабилизирующие перемычки между фибриллами. В результате деформация становится более медленной, плавной и равномерной, что позволяет пластику поглощать гораздо больше энергии, прежде чем разрушиться.
Результаты значимы и неожиданны, говорит эксперт по полимерам Вэй Цзян из Института прикладной химии Китайской академии наук. «В будущем это будет очень важно для разработки и получения полимерных материалов со сбалансированной жёсткостью и вязкостью, а также хорошей технологичностью, что является одной из самых сложных тем в физике полимеров».