等离子体超材料时间晶体

本文报道了光子时间晶体（PTC）的首次全光学实验实现。光子时间晶体是空间光子晶体在时间维度上的类比：空间光子晶体通过材料介电常数在空间上周期性变化来调控光，而光子时间晶体则要求材料的光学性质（如折射率）在时间上快速、强周期性地调制。过去这类调制因速度极快、强度要求高，实验上难以实现。本研究创新性地采用太赫兹波段的表面等离激元超材料腔体，利用飞秒激光脉冲激发，诱导载流子动能与有效质量发生亚光周期尺度的相干振荡（有效质量最大可达静止质量的80%），从而实现了对材料光学响应的强（接近100%调制度）、快（远小于一个光周期）、周期性驱动。光谱测量发现，系统在某个‘例外点’（exceptional point）处发生相变，进入光子时间晶体工作状态——此时两个受调制的光学本征模式发生融合。在此状态下，材料自发产生增益效应，使原本严重的等离激元损耗降低超过50%；理论预测，基于此平台实现等离激元激光（plasmonic lasing）已具备实验可行性。该成果不仅突破了光子时间晶体长期面临的实验瓶颈，更建立起一套稳定、可控的‘时域光子学’新平台，尤其适用于等离激元系统。