时间晶体是一种非平衡态的物质，能够在没有外界驱动的情况下，保持周期性的运动。这似乎违反了热力学第二定律，即孤立系统的熵只会增加，不会减少。但实际上，时间晶体并不是真正的孤立系统，它们需要一个周期性的激励来维持其运动状态。这个激励可以是电场、磁场或者光场等。

时间晶体最早由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔切克(Frank Wilczek)于2012年提出，但当时他认为时间晶体只能存在于理想化的模型中，而不是真实的物理系统中。然而，在2016年，两组科学家分别在实验室中观察到了固态和液态的时间晶体，证明了时间晶体是真实存在的。

时间晶体具有很多奇特的性质，比如它们可以作为量子记忆储存信息，或者用于量子计算和量子通信等。时间晶体也可以帮助我们探索物质的新相态和新现象，以及更深层次的物理规律。

那么，什么是光子时间晶体？

光子时间晶体是一种基于光子(即光的粒子)的时间晶体。在一个光子时间晶体中，光子按照一定的模式在时间上重复排列，就像普通晶体中原子或分子在空间上重复排列一样。这意味着光子在时间晶体中是同步和相干的，可以导致光的干涉和放大。

此外，研究小组发现沿晶体表面传播的电磁波以及来自周围环境的波都可以被放大。

光子时间晶体可以用来调控和操纵光场，从而实现各种功能和应用。比如，它们可以用来制造更高效和更稳定的激光器、无线通信系统和电子电路等。

如何制造光子时间晶体？

要制造一个光子时间晶体并不容易，因为它需要一个非常精确和复杂的结构来支撑和控制光子。目前已知的方法主要是基于三维(3D)的材料，比如超导量子比特或者离子阱等。然而，这些方法都非常困难和昂贵，并且难以扩展和集成。

最近，一组来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的科学家提出了一种新颖且简单的方法来制造光子时间晶体。研究的核心是一种基于被称为超表面的超薄人造材料薄膜的二维方法。

以前，对光子时间晶体的研究一直是在大块 3D 材料上进行的：制造和研究这些材料对科学家来说非常困难，但转向 2D 意味着可以更快、更轻松地进行实验——并找出晶体如何应用于现实世界的配置。

虽然比完整的 3D 结构更简单，但它们与光子时间晶体具有一些重要特征，并且可以模仿它们的行为——包括它们与光相互作用的方式。这是第一次证明光子时间晶体能够以这种特殊方式将光放大到如此显著的程度。

主要作者、德国卡尔斯鲁厄理工学院的纳米工程师 Xuchen Wang 说：“我们发现，将维度从 3D 降到 2D 使得实施变得更加容易，这使得在现实中实现光子时间晶体成为可能。”

虽然离现实应用还有一段路要走，但使用二维超表面作为生产和检查光子时间晶体的研究方法将使这种研究在未来变得更加直接方便。

例如，沿表面放大电磁波的技术最终可能有助于改进——从电话到汽车——无处不在的集成电路：这些电路内的通信可能会更快、更无缝。

然后是无线通信，它可能会随着距离的推移而受到信号衰减的影响。用二维光子时间晶体涂层表面有望改善这种情况。

“当表面波传播时，它会遭受材料损失，并且信号强度会降低。”芬兰阿尔托大学的物理学家 Viktar Asadchy 说，“通过将二维光子时间晶体集成到系统中，可以放大表面波，提高通信效率。”

该研究已发表在《科学进展》上。

https://www.sciencealert.com/a-new-kind-of-time-crystal-has-been-created-that-does-interesting-things-to-light

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