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Mar 20, 2023

Die Realisierung eines zeitkontinuierlichen Kristalls basierend auf einem photonischen Metamaterial

8. Mai 2023 Feature Dies

Feature vom 8. Mai 2023

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Ein Zeitkristall, wie er ursprünglich im Jahr 2012 vorgeschlagen wurde, ist ein neuer Materiezustand, in dem sich die Teilchen in kontinuierlicher Schwingungsbewegung befinden. Zeitkristalle brechen die Zeitübersetzungssymmetrie. Diskrete Zeitkristalle tun dies, indem sie unter dem Einfluss einer periodischen externen parametrischen Kraft oszillieren. Diese Art von Zeitkristallen wurde in eingefangenen Ionen, Atomen und Spinsystemen nachgewiesen.

Zeitkontinuierliche Kristalle sind interessanter und wohl auch wichtiger, da sie eine kontinuierliche Zeittranslationssymmetrie aufweisen, aber spontan in ein Regime periodischer Bewegung eintreten können, das durch eine verschwindend kleine Störung induziert wird. Mittlerweile versteht man, dass dieser Zustand nur in einem offenen System möglich ist, und kürzlich wurde in einem Quantensystem aus ultrakalten Atomen in einem mit Licht beleuchteten optischen Hohlraum ein kontinuierlicher Quanten-Zeit-Kristallzustand beobachtet.

In einem in Nature Physics veröffentlichten Artikel zeigten Forscher der University of Southampton im Vereinigten Königreich, dass eine klassische Metamaterial-Nanostruktur in einen Zustand gebracht werden kann, der die gleichen Schlüsseleigenschaften eines zeitkontinuierlichen Kristalls aufweist.

„Wir untersuchen seit mehreren Jahren Licht-Materie-Wechselwirkungen mit nanooptomechanischen Metamaterialien“, sagte Nikolay I. Zheludev, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Wir haben kürzlich erkannt, dass dies eine perfekte Plattform zur Demonstration des Zeitkristallzustands ist“,

Im Rahmen ihrer jüngsten Studie wollten Zheludev und seine Kollegen mithilfe eines photonischen Metamaterials einen zeitkontinuierlichen Kristallzustand realisieren. Das von ihnen verwendete System ist eine zweidimensionale Anordnung plasmonischer Metamoleküle (dh künstliche Strukturen, die die Wechselwirkung mit Licht im Nanomaßstab ermöglichen), die von flexiblen Nanodrähten getragen werden.

Die Forscher zeigten, dass die kontinuierliche und kohärente Beleuchtung dieses photonischen Metamaterials mit einem Licht, das mit dem plasmonischen Modus der darin enthaltenen Metamoleküle in Resonanz steht, einen spontanen Phasenübergang in einen Zustand verursachte, der die Schlüsseleigenschaften eines zeitkontinuierlichen Kristalls besitzt. Dieser Zustand ist durch kontinuierliche Schwingungen gekennzeichnet, die aus Vielteilchenwechselwirkungen zwischen den Metamolekülen resultieren.

„Wir haben herausgefunden, dass ein photonisches Metamaterial, eine Anordnung von Nanodrähten, die mit plasmonischen Nanopartikeln verziert sind, durch lichtinduzierte Wechselwirkung zwischen den Partikeln in den Zustand kohärenter Schwingungen der Nanodrähte gebracht werden kann“, erklärte Zheludev. „Diese Schwingungen treten spontan auf, wenn eine Lichtschwelle erreicht wird. Ein solches Verhalten stellt einen kontinuierlichen Zeitkristall dar, einen neuen Zustand der Materie.“

Die aktuelle Studie dieses Forscherteams könnte neue Wege für die Erforschung von Zeitkristallen und dynamischen klassischen Vielteilchenzuständen im stark korrelierten Regime eröffnen. In Zukunft könnte das von Zheludev und seinen Kollegen realisierte einzigartige System auch den Weg für die Entwicklung neuer optischer und photonischer Geräte ebnen.

„Wir haben einen zeitkontinuierlichen Kristall demonstriert, einen neuen Zustand der Materie auf einer einfachen klassischen Plattform, was einen wesentlichen Schritt hin zur Anwendung des zeitkontinuierlichen Krustenzustands in photonischen Geräten darstellt“, fügte Zheludev hinzu. „Die gemeldete Beobachtung ist nur der Anfang, und wir werden weiterhin grundlegende Eigenschaften der nano-opto-mechanischen Metamaterial-Kontinuitätskristalle und ihrer Anwendungen erforschen.“

Mehr Informationen: Tongjun Liu et al., Photonisches Metamaterial-Analogon eines zeitkontinuierlichen Kristalls, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02023-5

Zeitschrifteninformationen:Naturphysik

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