雷射脈衝引發之光子時間晶體，或可打開光學領域新分支大門

當科學家發現雷射脈衝可在介質中快速引起折射率變化、進而在近可見光波段產生「光子時間晶體（PTC）」時，一條通往光學領域顛覆性新應用的大門似乎悄悄打開了。

科學家對光子晶體（photonic crystal）與時間晶體（time crystal）已有一定程度理解，兩者幾乎沒有共同之處，基本共通點為兩者都會隨時間推移產生結構。

光子晶體是人工製造的週期性介電結構，由不同折射率的介質週期性排列而成，能阻斷特定頻率光子進而影響光子運動，或者說，我們將具有「光子頻率禁帶」的週期性介電結構稱為光子晶體；此外，自然界也有光子晶體，可從昆蟲翅膀或貴重礦物的閃爍看到此現象。

時間晶體則是一種處於最低能態的粒子重複運動組成之量子系統，相較於一般晶體在空間上週期性重複，時間晶體會在時間上週期性重複而呈現永動狀態，比如它們隨時間改變，但也會一直回到最初形態。

光子時間晶體（Photonic Time Crystal，PTC）則是電磁特性隨時間發生較大變化的材料，或者代表一種特定類型時間晶體，其折射率隨時間快速上升、下降，且光子時間晶體類型不只一種。

證明近可見光波段也能存在穩定光子時間晶體

為了保持光子時間晶體穩定，必須使其折射率與特定頻率的電磁波單週期保持一致上升下降，因此，迄今科學家只在電磁波譜的最低頻率端（無線電波）觀察到光子時間晶體，想在光學領域找到光子時間晶體具有相當挑戰性。

但根據以色列理工學院科學家 Mordechai Segev、美國普渡大學科學家 Vladimir Shalaev、AlexndraBoltasseva 等人領導的新研究，團隊將波長 800 奈米的雷射脈衝穿過透明導電氧化物（TCO），發現每次折射率改變所需時間都很短（不到 10 飛秒），構成形成穩定 PTC 所需的單個週期。

通常，時間晶體中被激發到高能量的電子需 10 倍以上時間才能回到基態，但這次實驗發現光的弛豫時間（折射率恢復正常所需時間）極短，基本上是「不可能的事情」。

目前科學家都還不清楚為何發生這種情況，也不清楚它最終如何應用，但可能引發光學領域突破，就像 1960 年代的物理學家開始發現雷射光束能帶來哪些實際應用一樣，也許是基於雷射的高效粒子加速器、或具有可調角解析度的高靈敏粒子探測器？

新論文發表在《奈米光子學》（Nanophotonics）期刊。

（首圖來源：shutterstock）

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