能抑制或放大電磁波讓電訊傳輸更順暢光子時間晶體助改善通訊品質

THE MERIT TIMES

編譯／韋士塔 2023-04-29

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理論上，時間晶體能永遠在不同狀態之間循環而不消耗能量。圖／網路

光子時間晶體，能改善無線通信效率。圖／網路

光子時間晶體，有可能顛覆通訊產業。圖／網路

編譯／韋士塔

「時間晶體」（time crystals）是一種新型物質，理論上，這種物質能重複循環運動且不消耗能量，有如永動機；科學家們正持續探索這種物質的各種應用潛力，最新進展則來自德國、芬蘭及美國的研究團隊。研究人員發現一種「光子時間晶體」（photonic time crystal），能抑制或放大電磁波，可應用於無線通信系統、雷射系統與積體電路，大幅改善通訊速度、品質。

德國卡爾斯魯厄大學（Karlsruhe Institute of Technology）、芬蘭阿爾托大學（Aalto University）以及美國史丹福大學（Stanford University）的研究團隊，已研發創造光子時間晶體的技術，能放大照射在時間晶體上的光源，有助進一步了解這種複雜物質。

在19世紀，將晶體形式分類，以及了解晶體對光的影響，成為科學界的重要研究主題，並促成數學與物理學的多項重要發展。20世紀科學家對晶體內部電子的基本量子力學研究，引領現代半導體電子學，更奠定網際網路與智慧手機的基礎。

時間晶體的理論，則在2012年由諾貝爾獎得主威爾札克（Frank Wilczek）提出，他表示，時間晶體在三維（3D）空間有周期性，在時間下也會周期性重複，呈現永動狀態。

科技巨擘Google量子AI實驗室（Quantum AI）研究人員，則在2021年宣布，他們使用Google的Sycamore量子計算硬體製造出時間晶體。

研究團隊表示，時間晶體是由許多粒子組成的量子系統，能自行組織成周期性的運動模式，並永久存在，能穩定地防止實驗干擾，有助改進量子處理器。

卡爾斯魯厄大學奈米工程師王旭銓（Xuchen Wang，音譯）表示，團隊利用新方法建構一種被稱為超構表面（metasurface）的二維光子時間晶體，在微波頻率下運作，可放大電磁波。

王旭銓表示：「創建3D光子時間晶體非常困難，但研究團隊製造一種2D結構光子時間晶體，簡化這個程序。我們只需創造一個表面，而不是立體的材料。這種光子時間晶體，能讓沿表面傳播的電磁波及周圍環境的光波都被放大。」

研究團隊發表於《科學先端》（Science Advances）期刊的報告表示，2D結構光子時間晶體能讓相關實驗更快、更輕鬆地進行，找出能夠實際應用的領域；初步測試顯示，光子時間晶體能以特殊方式將光放大，讓無線發射器、接收器的功率更強大，效率更好。放大電磁波，則有助改善通訊裝置或汽車使用的積體電路，讓電訊的傳輸更順暢。

此外，使用二維光子時間晶體作為塗料，可能有助解決信號衰減問題；光子時間晶體也能提升雷射光共振器（resonator）的性能，簡化其設計。

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