O echipă internațională a construit primul cristal temporal fotonic realizat integral optic, capabil să schimbe proprietățile luminii în infraroșu îndepărtat de mii de ori mai rapid decât tehnologiile electronice actuale.

De la fibrele optice care transportă informația prin rețelele de telecomunicații, până la lasere și senzori folosiți în chimie și biologie, capacitatea de a sculpta felul în care lumina interacționează cu materia a stat la baza multor tehnologii moderne. Cristalele fotonice obișnuite controlează lumina printr-un aranjament periodic al materialelor în spațiu, similar modului în care semiconductorii controlează electronii. O echipă de la École Polytechnique, Collège de France și Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a demonstrat acum, pentru prima dată, echivalentul acestui fenomen în timp.

Un cristal care nu se repetă în spațiu, ci în timp

Un cristal temporal fotonic este, în esență, opusul temporal al unui cristal fotonic clasic: în loc ca proprietățile optice ale materialului să varieze periodic în spațiu, ele variază periodic în timp, la scări comparabile cu durata unui singur ciclu al undei luminoase. Teoria prezicea de câțiva ani fenomene spectaculoase pentru astfel de structuri, printre care amplificarea parametrică a luminii, însă realizarea lor experimentală, folosind exclusiv mijloace optice, rămăsese un obstacol major. Era nevoie de o modulare foarte puternică a proprietăților optice ale materialului, la o viteză comparabilă cu ciclul optic însuși, o combinație greu de obținut până acum.

Dispozitivul construit de echipă este un metamaterial plasmonic: structuri de aur, la scară micrometrică, așezate deasupra unui strat izolator și a unui semiconductor din antimoniură de indiu. Aceste structuri formează niște cavități care capturează fotonii de lumină între stratul de aur și cel semiconductor. Excitarea suprafeței semiconductorului generează „plasmoni de suprafață”, unde colective de electroni capabile să capteze lumina și să îi susțină oscilațiile.

Sursa de terahertzi de la HZDR, cheia experimentului

Pentru a modula proprietățile optice ale materialului, cercetătorii au folosit sursa TELBE de la HZDR, un accelerator capabil să genereze impulsuri de terahertzi intense și reglabile ca frecvență. Trimițând aceste impulsuri către dispozitiv, echipa a reușit să modifice puternic și extrem de rapid reflectivitatea materialului, obținând ambele efecte simultan, ceea ce reprezenta principalul obstacol tehnic până acum. „Capacitatea unică a TELBE de a genera impulsuri de terahertzi cu câmp intens și fază stabilă a fost esențială”, a confirmat Jan-Christoph Deinert, coordonatorul instalației TELBE. „Fără această infrastructură, obținerea modulației coerente și ultrarapide necesare pentru regimul de cristal temporal fotonic ar fi fost imposibilă.”

Măsurătorile spectroscopice au arătat o tranziție clară a materialului către regimul de cristal temporal fotonic, mediată de un așa-numit punct excepțional, în care două moduri optice distincte, generate de modulația periodică, converg. În acest regim, cercetătorii au observat un câștig optic emergent care reduce pierderile plasmonice cu peste 50%, un rezultat care deschide drumul spre o nouă generație de lasere de terahertzi.

Ce urmează: de la reducerea pierderilor la laserele de terahertzi

„Extinzând cristalele fotonice din spațiu în timp, deschidem o nouă dimensiune pentru controlul luminii, și o cale nouă spre amplificare și emisie laser. Asta ar putea schimba complet tehnologiile optice la frecvențe de terahertzi și dincolo de ele”, a declarat Tingwen Guo, doctorand la École Polytechnique și autorul principal al studiului. Domeniul terahertzilor, situat între electronica și fotonica convențională și funcționând la frecvențe de aproximativ o mie de ori mai rapide decât componentele electronice obișnuite, este considerat de mult timp o zonă cu potențial uriaș, dar tehnologic subdezvoltată.

„Domeniul terahertzilor reprezintă frontiera dintre tehnologiile electronice și cele fotonice. Este un domeniu plin de oportunități, atât pentru știință, cât și pentru societate, dar rămâne încă subdezvoltat tehnologic în comparație cu variantele sale electrice și fotonice. Crearea acestor cristale fotonice ar putea deschide drumul spre închiderea acestui decalaj”, a explicat Yannis Laplace, autorul corespondent al studiului și profesor asistent la École Polytechnique. Echipa își propune, în continuare, să reducă și mai mult pierderile de fotoni și să crească numărul de fotoni capturați, un pas necesar pentru a obține amplificarea suficientă pentru un laser de terahertzi propriu-zis.

Descoperirea arată că fizicienii au învățat să sculpteze lumina nu doar în spațiu, ci și în timp, iar acest control ultrarapid ar putea deveni, în următorii ani, fundația unei noi generații de calculatoare optice, sisteme de telecomunicații și lasere de terahertzi.

---

Sursă: Tingwen Guo, Jules Sueiro, Gian Marcello Andolina, Artem Levchuk, Stefano Ponzoni, Romain Grasset, Donald Monthe, Ian Aupiais, Dmitri Daineka, Javier Briatico, Thales VAG de Oliveira, Alexey Ponomaryov, Atiqa Arshad, Arjun Karimbana-Kandy, Gulloo Lal Prajapati, Igor Ilyakov, Jan-Christoph Deinert, Sebastian F. Maehrlein, Luca Perfetti, Marco Schirò, Yannis Laplace — École Polytechnique, Collège de France, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) — Nature — DOI: 10.1038/s41586-026-10825-9