Усиление Wi-Fi и стабилизация связи. Ученые создали новый временной кристалл, который приблизит беспроводное будущее

Вполне возможно, именно кристалл времени может стать тем пазлом, которого не хватает для получения подлинного квантового преимущества. Дело в том, что временные кристаллы — это идеальные кубиты, которые, к тому же, потребляют очень мало энергии. Если ученым удастся раскрыть их потенциал, это приблизит нас к квантовому будущему в ближайшее время.

Что такое временной кристалл? Если вкратце, то это новая форма материи, которая на первый взгляд противоречит всему, что мы знаем о мире, ведь она нарушает закон термодинамики Исаака Ньютона.

Обычный кристалл состоит из атомов, которые собираются в кристаллические решетки — это повторяющиеся формы. Дублируя друг друга в пространстве, эти формы собираются в единую структуру, то есть сам кристалл. Временной кристалл — это одно и то же, только его формы дублируют друг друга не только в пространстве, но и во времени.

В новом исследовании команда физиков создала «фотонный» временной кристалл. Их работа опубликована в журнале Science Advances.

Вместо атомов и молекул этот кристалл состоит из фотонов, связанных между собой и двигающихся вместе. Кристалл работает на микроволновых частотах и может упорядочивать и усиливать электромагнитные волны, объясняет издание ScienceAlert.

«В фотонном временном кристалле фотоны расположены по повторяющемуся периодически шаблону. Это означает, что фотоны в кристалле синхронизированы и когерентны, что может привести к конструктивной интерференции и усилению света», — объясняет руководивший исследованием инженер Сючен Ван.

В основе исследования — 2D-метод с использованием невероятно тонких листов искусственного материала, называемых метаповерхностями. Электромагнитная метаповерхность — это очень тонкий слой искусственных материалов, которые могут контролировать путь электромагнитных волн, то есть света или радиоволн. Крошечные структуры, из которых состоит метаповерхность, могут изменять эти волны определенным способом. Отслеживая размер, форму и расстояние между этими структурами, исследователи могут контролировать способ взаимодействия волн с метаповерхностью.

Ранее исследования фотонных кристаллов времени проводились с помощью объемных 3D-материалов, что усложняло работу ученых. Переход на 2D позволяет легче и быстрее проводить эксперименты, благодаря чему исследователи могут лучше узнавать, как эти кристаллы можно использовать на практике.

2D-структуры хоть и проще трехмерных аналогов, однако имеют определенные ключевые свойства фотонных временных кристаллов и могут имитировать поведение фотонных временных кристаллов и их взаимодействие со светом. В ходе исследования ученые впервые увидели, что фотонные временные кристаллы могут усиливать свет настолько, как показали эксперименты.

Наконец, ученые надеются, что дальнейшие исследования и усовершенствование фотонных временных кристаллов поможет усовершенствовать интегральные схемы, которые сегодня можно найти везде: от смартфонов до автомобилей. Потенциально улучшение этих систем поможет сделать связь более надежной и быстрой.

Кроме того, 2D кристаллические структуры могут помочь усиливать Wi-Fi-сигнал или, например, беспроводные передатчики и приемники — и в конце концов вам не придется использовать дополнительный усилитель сигнала, чтобы смотреть кино на кухне.

Однако пока рановато говорить о каком-либо практическом применении, объясняют ученые. Их работа — скорее о том, как мы можем изучать эти загадочные структуры и как упрощение от 3D до двумерных метаповерхностей поможет проводить подобные исследования в будущем. На сегодняшний день мы не очень близки к широкому использованию кристаллов времени. Это все еще невероятно сложные объекты, о которых нам известно крайне мало, поэтому ученым нужно еще многое узнать об их поведении.