2026年7月29日——一个来自巴黎综合理工学院、法兰西学院和亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）的国际研究团队实现了世界首次：全光学光子时间晶体的实验实现。这种材料的光学特性可以在超快时间尺度上被强烈且周期性地调制。这项突破发表在《自然》杂志上（DOI: 10.1038/s41586-026-10825-9），利用HZDR的TELBE超辐射太赫兹源将系统驱动至太赫兹范围内光物质相互作用的新领域。这一发现为超快光学计算、新型电信系统以及最终的新型太赫兹激光器铺平了道路。

塑造光与材料相互作用时的特性是许多发现和技术进步的基础，无论是通信中的光纤、作为光源的激光器，还是化学和生物学传感器。

在巴黎综合理工学院，科学家们正在为一项目前尚未得到广泛开发的技术奠定基础：该校助理教授Yannis Laplace教授及其在辐照固体实验室（LSI）的团队正在开发新型光子器件，用于控制太赫兹频率范围内的光。对这一频段（比电子元件所用频率快1000倍）的研究正在快速推进，并可能为观察和操控物质开辟新的视角。Laplace解释道：“太赫兹范围代表了电子技术和光子技术之间的前沿。这是一个对科学和社会都充满机遇的频段，然而与电子和光子对应技术相比，它在技术上仍未得到充分发展。制造光子晶体可能是缩小这一差距的关键。”

突破：从空间控制到时间控制

这些光子晶体是纳米结构材料，具有周期性光学图案（类似晶格），可以控制光子流。通过巧妙调整不同材料的折射率和形状，它们可以阻挡、引导或增强特定波长，类似于半导体控制电子的方式。

在以往的研究中，该研究团队已经证明了操纵温度或磁场如何改变光子晶体的光捕获特性，但直到现在，这种控制仍然在时间上是静态的。这项新工作首次引入了光子时间晶体，其中材料的光学特性（例如反射率、共振频率）在皮秒时间尺度上被动态调制，与光自身的振荡周期相当。“通过将光子晶体从空间扩展到时间，我们为光控制开辟了一个新维度——以及一条通向放大和激射的新路径。这可能会成为太赫兹频率及更高频率光技术领域的变革性突破，”巴黎综合理工学院的博士生、该论文的第一作者Tingwen Guo解释道。

克服艰巨的技术挑战

为了启动随时间改变光子特性的能力，科学家们必须构建一个独一无二的复杂装置。在泰雷兹公司阿尔伯特·费尔特实验室和综合理工学院界面物理实验室的协助下，他们制造了一种特殊的光子晶体，称为“等离子体超材料”。该材料由微米级的金质城垛结构组成，其下方是一层绝缘层，最后是一层由铟和锑混合制成的半导体材料。这些城垛结构充当腔体，将光子捕获在金层和半导体层之间；该半导体表面的激发会产生“表面等离激元”，其中电子表现为一种集体波，能够捕获光并维持其振荡。

借助HZDR的ELBE加速器上强大且频率可调的太赫兹源TELBE，通过向该装置发射太赫兹激光脉冲，研究人员证明了该材料的光学特性，特别是其反射光的能力，在非常短的时间尺度上被强烈调制。这是一项实验壮举，因为实现既非常强烈（例如迫使物体发射出完全不同的颜色）又非常快速（在皮秒尺度——十亿分之一秒的十亿分之一）的调制是极其困难的。“TELBE产生高场强、相位稳定太赫兹脉冲的独特能力至关重要，”TELBE装置协调员Jan-Christoph Deinert博士确认道。“没有这一基础设施，实现光子时间晶体状态所需的相干、超快调制是不可能实现的。”

除了实验观察之外，由法兰西学院研究科学家Marco Schiró博士及其团队开发的理论模型证实了实验结果，为装置内光子的行为提供了解释。研究还表明，时间调制可将超材料内光子的耗散（即未反射而穿过材料表面的光子比例）减少一半。“该理论不仅复现了实验，也为指导该系统中未来的发现提供了基础，”Schiró高兴地表示。

推动未来光学应用

下一步将是如何进一步阻止光子穿过晶体的耗散，然后放大被困在装置内的光子数量。在高放大水平下，它们可能成为具有无与伦比模块化能力的新型激光器的光源。这一突破可能改变我们在技术中使用光的方式，特别是在太赫兹范围内。通过能够在如此短的时间尺度上调制光，这些光子时间晶体使我们更接近用于医学成像和通信的新型超快激光器，并能够按需即时调整光的特性（例如改变其“颜色”或强度），从而实现更智能、更灵活的光学系统。