Fotonisch tijdkristal
Stel je een ruit voor die niet gewoon transparant is, maar razendsnel heen en weer flitst tussen twee verschillende soorten glas — duizenden miljarden keren per seconde, sneller dan het licht dat erdoorheen schijnt zelf trilt. Licht dat op zo'n flitsende ruit botst, gedraagt zich compleet anders dan bij gewoon glas: in plaats van dat bepaalde kleuren worden tegengehouden, kunnen bepaalde lichtgolven juist steeds sterker worden, alsof ze uit het niets energie krijgen. Dat is in essentie waar een fotonisch tijdkristal om draait: een materiaal waarvan de optische eigenschappen niet in de ruimte, maar in de tijd periodiek veranderen.
De naam doet denken aan 'tijdkristallen' uit de kwantumfysica, een heel ander en veel bekender begrip waarbij een systeem van zichzelf een beweging blijft herhalen zonder energie te verliezen. Een fotonisch tijdkristal heeft daar weinig mee te maken. Het is eerder een verre neef van het gewone fotonische kristal: materialen zoals de gekleurde schubben van een vlindervleugel, waarbij een repeterend patroon in de ruimte bepaalt welke kleuren licht wel of niet doorgelaten worden. Bij een fotonisch tijdkristal gebeurt hetzelfde trucje, maar dan met de tijd als repeterende variabele in plaats van de ruimte.
Wat is het precies?
Om te snappen wat een fotonisch tijdkristal is, helpt het eerst te kijken naar een gewoon fotonisch kristal. Dat is een materiaal waarin de brekingsindex — een getal dat aangeeft hoe sterk licht wordt afgeremd en gebogen in een stof — op regelmatige afstand in de ruimte verandert, bijvoorbeeld door dunne laagjes van twee materialen af te wisselen. Voor bepaalde kleuren licht ontstaat daardoor een 'verboden zone': die golflengtes kunnen het materiaal niet doorkruisen en worden vrijwel volledig teruggekaatst. Dit principe zit achter felgekleurde vleugels in de natuur, maar ook achter spiegels in laserapparatuur en de kern van glasvezelkabels.
Een fotonisch tijdkristal keert dit idee om. In plaats van de brekingsindex op vaste plekken in de ruimte te laten variëren, laat je hem op elk punt in het materiaal tegelijk in de tijd op en neer schommelen — bijvoorbeeld door razendsnel elektrische spanning op een materiaal te zetten en weer weg te halen. Wanneer de brekingsindex van een medium abrupt verandert terwijl een lichtgolf er doorheen reist, ontstaat er geen gewone terugkaatsing zoals bij een spiegel, maar een zogeheten temporele reflectie: de golf splitst zich in twee nieuwe golven die allebei gewoon voorwaarts blijven bewegen, maar met een andere frequentie (kleur) dan voorheen.
Herhaal je die schakeling periodiek, dan ontstaat het spiegelbeeld van de 'verboden zone' uit een gewoon fotonisch kristal: in plaats van een verboden frequentie ontstaat een verboden momentum — een maat voor de golflengte en voortplantingsrichting van het licht. Lichtgolven met een momentum in die verboden zone kunnen niet als stabiele golf blijven bestaan; hun energie groeit in plaats daarvan exponentieel met de tijd. Met andere woorden: het licht wordt versterkt, puur door de timing van het schakelende materiaal, zonder dat er een laserpomp of lichtgevoelig versterkingsmedium aan te pas komt zoals bij een gewone laser.
Het praktische probleem is snelheid. Voor zichtbaar licht duurt één lichttrilling ongeveer een femtoseconde (een miljoenste van een miljardste seconde). Om een écht optisch fotonisch tijdkristal te maken, moet de brekingsindex van een materiaal binnen zo'n tijdsbestek fors veranderen — een technische uitdaging die nog niemand volledig heeft opgelost. Daarom spelen de meeste experimenten zich vooralsnog af bij radiogolven of microgolven, waar de benodigde schakelsnelheden (nanoseconden) met bestaande elektronica haalbaar zijn, of met speciale materialen die van nature al heel snel van brekingsindex kunnen veranderen.
Wat wil men ermee bereiken?
De aantrekkingskracht van fotonische tijdkristallen zit in een paar concrete beloftes. Ten eerste versterking van licht zonder de gebruikelijke ingrediënten van een laser, zoals een optische trilholte (twee spiegels waartussen licht heen en weer kaatst) of een medium dat vooraf 'opgepompt' moet worden met energie. Dat zou in theorie tot compactere, eenvoudigere lichtbronnen kunnen leiden.
Ten tweede onderzoekt men of dit soort materialen licht van kleur kan laten veranderen (frequentieconversie) over een veel breder bereik dan met bestaande technieken, en of ze kunnen dienen als niet-reciproke componenten: onderdelen die licht in de ene richting doorlaten maar in de andere richting blokkeren, zonder de sterke magneten die daar nu meestal voor nodig zijn. Zulke 'optische diodes' zijn belangrijk om gevoelige lasers en chips te beschermen tegen teruggekaatst licht.
Ten derde is er een puur fundamenteel-wetenschappelijke drijfveer: fotonische tijdkristallen zijn een nieuw soort systeem om golfverschijnselen, energieoverdracht en zogeheten niet-Hermitische fysica (systemen waarin energie niet behouden blijft, maar aan- of afneemt) te bestuderen. Het is nadrukkelijk nog vroeg fundamenteel onderzoek: er bestaat geen commercieel product en de weg naar toepassingen zoals telecomapparatuur, sensoren of chips is nog lang en onzeker.
Voorbeelden uit de praktijk
Hoewel het concept van tijdsafhankelijke media al decennia oud is, is de term 'fotonisch tijdkristal' pas de afgelopen jaren gangbaar geworden, met een paar aansprekende mijlpalen.
- Technion, Israël (rond 2021-2022): de onderzoeksgroep van natuurkundige Mordechai Segev publiceerde theoretisch werk waarin voor het eerst uitgebreid werd beschreven hoe periodieke tijdsvariatie tot momentum-bandkloven en versterking van licht kan leiden, inclusief het idee van 'lasen zonder trilholte'. Dit werk legde een groot deel van het wiskundige fundament voor het veld.
- Aalto-universiteit, Finland (2023): een team rond hoogleraar Sergei Tretyakov demonstreerde, voor zover bekend, een van de eerste experimentele realisaties van een fotonisch tijdkristal. Met een schakelbaar metaoppervlak (een dun laagje kunstmatig materiaal vol elektronische schakelelementen) bij microgolffrequenties lieten ze zien dat het beoogde versterkingseffect in de praktijk optreedt, weliswaar nog ver van zichtbaar licht.
- Onderzoek naar epsilon-near-zero-materialen (vanaf circa 2018, diverse groepen): materialen zoals ITO (indiumtinoxide), een doorzichtige geleidende laag die ook in touchscreens zit, kunnen met korte, felle laserpulsen tijdelijk een sterk veranderde brekingsindex krijgen binnen enkele tientallen femtoseconden. Groepen die met dit soort 'epsilon-near-zero'-materialen experimenteren, onder meer verbonden aan Purdue University in de Verenigde Staten en Imperial College London in het Verenigd Koninkrijk, worden gezien als een van de meest kansrijke routes om het effect ooit ook bij optische frequenties te laten zien.
- Theoretisch overzichtswerk (2022): onderzoekers verbonden aan onder meer Imperial College London en het City College of New York publiceerden een veelgeciteerd overzichtsartikel dat het bredere onderzoeksveld van 'tijdsafhankelijke media' — waaronder fotonische tijdkristallen vallen — samenvatte en structureerde, en dat als naslagwerk fungeert voor nieuwe onderzoekers.
Het gaat in alle gevallen nadrukkelijk om laboratoriumexperimenten en theoretische modellen, niet om werkende toepassingen.
Hoe ver is de techniek?
Fotonische tijdkristallen zijn een jong onderzoeksveld: de eerste stevige experimentele bevestigingen dateren van rond 2023, en dan nog vrijwel uitsluitend bij radio- en microgolffrequenties, niet bij zichtbaar of infrarood licht. Dat is een belangrijk verschil met wat uiteindelijk nodig zou zijn voor toepassingen in bijvoorbeeld glasvezelcommunicatie of chips, die met optische frequenties werken.
De belangrijkste obstakels zijn technisch van aard. Materialen die snel genoeg van brekingsindex kunnen veranderen, absorberen vaak ook veel licht (verlies), wat de gewenste versterking teniet doet. Daarnaast is het lastig om de schakeling perfect periodiek en over een groot oppervlak gelijktijdig te laten verlopen, en om de effecten sterk genoeg te maken om praktisch bruikbaar te zijn. Onderzoekers werken daarom aan nieuwe materialen, aan combinaties van ruimtelijke én temporele periodiciteit ('spatiotemporele' kristallen), en aan slimmere manieren om ultrasnel te schakelen. Een tijdlijn naar concrete toepassingen is er nog niet; de meeste experts omschrijven het veld zelf als fundamenteel verkennend onderzoek.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is verspreid over een klein aantal gespecialiseerde academische groepen wereldwijd, met sterke samenwerkingsverbanden tussen theoretici en experimentatoren.
- Technion – Israel Institute of Technology (Israël): de groep van Mordechai Segev, een van de theoretische aanjagers van het veld.
- Aalto-universiteit (Finland): de groep van Sergei Tretyakov en Viktar Asadchy, bekend van experimenteel werk met schakelbare metaoppervlakken.
- Imperial College London (Verenigd Koninkrijk): onderzoekers als John Pendry (een van de grondleggers van de bredere metamaterialentheorie) en collega's werken aan zowel theorie als experimenten met tijdsafhankelijke materialen.
- City College of New York / Advanced Science Research Center (Verenigde Staten): de groep van Andrea Alù, actief op het snijvlak van metamaterialen en tijdsafhankelijke fotonica.
- Purdue University (Verenigde Staten): onderzoek naar ultrasnelle epsilon-near-zero-materialen zoals ITO, relevant voor toekomstige optische fotonische tijdkristallen.
Daarnaast publiceren onderzoeksgroepen in onder meer China, Duitsland en Zuid-Korea regelmatig theoretisch werk op dit terrein. Financiering komt vooral van nationale wetenschapsfondsen en universitaire onderzoeksbeurzen; van grote industriële investeringen is vooralsnog geen sprake.