Natuurkundigen bouwen eerste volledig optisch tijdkristal van licht

Kristallen kennen we als materialen met een repeterend patroon van atomen in de ruimte, zoals in een sneeuwvlok of een diamant. Natuurkundigen onderzoeken al langer of zoiets ook in de tijd kan: een materiaal waarvan de optische eigenschappen niet in de ruimte, maar continu en periodiek in de tijd veranderen. Zo'n metamateriaal zou licht op unieke manieren kunnen manipuleren, tot en met versterken in plaats van verzwakken. Tot nu toe lukte het niet om dit volledig optisch te realiseren: de benodigde veranderingen moeten razendsnel gebeuren, sneller dan een enkele lichttrilling duurt.

Elektronen op de dansvloer

Het onderzoeksteam gebruikte een oppervlaktestructuur waarin elektronen collectief kunnen trillen: een zogeheten plasmon. Door de structuur te bestoken met extreem korte pulsen terahertzstraling, brachten de onderzoekers de elektronen zo hard in beweging dat hun effectieve massa opliep tot 80 procent van hun rustmassa. Dat klinkt technisch, maar het betekent simpelweg dat de elektronen zich door de sterke lichtpuls tijdelijk anders gedroegen dan normaal, alsof ze zwaarder werden. Door dit proces steeds te herhalen, ontstond een periodieke verandering in de tijd die snel genoeg was om het gedrag van een tijdkristal te vertonen.

Een omslagpunt in het licht

Met spectroscopie, een techniek waarmee onderzoekers licht ontleden om te zien wat een materiaal ermee doet, volgde het team hoe het systeem overging naar deze nieuwe toestand. Op een bepaald punt smolten twee trillingspatronen van het licht in elkaar, een verschijnsel dat bekendstaat als een exceptional point. Dat omslagpunt markeerde de overgang naar het tijdkristal-regime. Vanaf dat moment gedroeg het materiaal zich anders dan verwacht: in plaats van dat energie verloren ging, zoals normaal gebeurt in dit soort metalen structuren, trad er juist versterking op. De onderzoekers maten dat de gebruikelijke energieverliezen in het plasmon met meer dan de helft afnamen.

Op weg naar een nieuwe laser

Die vermindering van verlies is precies wat nodig is om licht te versterken in plaats van te dempen. Volgens de onderzoekers ligt een werkende plasmonische laser, een compacte lichtbron gebaseerd op dit principe, nu binnen experimenteel bereik. Zulke lasers zouden veel kleiner kunnen zijn dan bestaande varianten en werken op frequenties die nu lastig te bereiken zijn, wat interessant is voor onder meer telecommunicatie, sensortechniek en toekomstige chips die met licht in plaats van stroom rekenen. De onderzoekers benadrukken dat hun resultaat vooral een bewijs van principe is: het laat zien dat tijdkristallen van licht in de praktijk haalbaar zijn, met gewone plasmonische materialen als bouwsteen.