在太赫兹频段实现极快、极强的时域动态调控，是开发新型太赫兹激光器及光计算器件的前提，也是该领域亟待突破的关键问题。近日，法国巴黎综合理工学院、法兰西公学院与德国德累斯顿-罗森多夫赫姆霍兹中心（HZDR）的科研团队展示了一种全光驱动的光子时间晶体（PTC）。相关研究成果发表于Nature。
在该晶体中，材料的反射率与共振频率等光学属性可在皮秒（ps）时间尺度上发生超快动态调制，将传统光子晶体“空间结构调控”的思路拓展至“时间维度调控”的全新范式。依托 HZDR 的 TELBE（基于超导电子直线加速器的高场超辐射太赫兹光源），团队将该晶体推进至太赫兹频段。在该波段，光振荡频率高达约每秒1万亿次。这一突破或将为超快全光计算、下一代通信系统及新型太赫兹激光器的研发带来颠覆性契机。
巴黎综合理工学院物理学助理教授Yannis Laplace表示：“过去几年，我们课题组一直专注于太赫兹频段的等离激元超构材料研究，旨在开发操控光及光-物质相互作用的功能器件。此前，我们已证实，在平衡态下，这类系统对温度、磁场等参数具有高度可调谐性。”
随后，团队将研究重心转向时域动态调控，利用强太赫兹光脉冲对系统进行超快调制。Laplace解释道：“光子时间晶体须在超快时间尺度上经受极强的动态调制，我们已知系统会对太赫兹光产生非线性响应，但核心问题在于：这种响应的强度与速度是否足以跨入光子时间晶体的工作机制阈值？”
如何构建“时间晶体”？——等离激元超构材料平台
研究团队搭建的光子晶体平台是一种等离激元超构材料，即一组人工构筑的微腔阵列，用于捕获与调控太赫兹光子。该平台利用了半导体表面的表面等离激元，即半导体表面电子集体振荡形成的准粒子激发。
Laplace介绍：“我们的器件由半导体锑化铟（InSb）、绝缘介质层以及表层周期性金条纹微结构共同构成。整体而言，该结构相当于表面等离激元的谐振腔，使我们能够按需设计其共振频率与光学响应特性。”
在实验中，研究人员使用强多周期太赫兹光场驱动微腔内等离激元振荡至大振幅状态，从而通过非线性效应在时域上对其固有属性（如共振频率）进行有效调制。Laplace指出：“这种调制会动态改变整个超构材料在时间维度上的光学特性。关键是，该调制足够强、足够快，完全满足光子时间晶体的工作要求。”
具体而言，当一束强多周期太赫兹泵浦脉冲入射至超构材料时，另一束探测脉冲可实时检测其光学响应，系统光学性质会随驱动场在时间上发生周期性振荡。这种振荡极为剧烈且迅速，彻底重构了系统的光学响应。Laplace补充道：“这意味着我们可以利用这些时变特性，实现快速、高效的光子频率转换。同时，结构的时间平均光学性质也随之改变。这代表了一种全新的光学设计思路：不再局限于传统方法在静态平衡态下设计结构，而是通过时域动力学调控来主动塑造光学性能。”
图1 太赫兹电磁波激发强烈的超快时域调制，诱导产生“光子时间晶体”
目前，团队已能利用光子时间晶体机制显著降低超构材料的光学耗散；下一步计划探索频率转换、光放大及激射等前沿方向。其中，跨越激射阈值正是光子时间晶体走向实用化激光器的关键一步。
两大突破口：一边“降损耗”，一边“提速度”
该成果对光子学的推动集中在两个关键维度：
① 破解等离激元“损耗困局”。 Laplace表示：“等离激元学的核心价值在于能将光场束缚在远小于光学衍射极限（自由空间光场约束的物理下限）的微纳尺度，这对光学器件的微型化与超紧凑集成极具前景。但这一特性伴随着高昂代价：能量损耗。等离激元依赖固体内部电子的集体运动，面临极大的光学耗散，这成为限制其实际应用的最大瓶颈。”研究团队证实，通过引入时间维度的动力学驱动，可将该类损耗显著降低（减小50%） ，且未来有望进一步降低。Laplace强调：“长远来看，若能开发出近无损的等离激元平台，将彻底颠覆该技术领域，使器件在充分享受超分辨光场局域优势的同时，摆脱高损耗的桎梏。”
② 刷新非线性光学“时间极限”。 Laplace解释道：“光子学中的信号处理与光场调控高度依赖非线性光学效应（如光的波长/频率转换）。在光子时间晶体中，这些非线性过程能够在光波自身的振荡周期量级内迅速发生，这为光子学开辟了全新的参数空间。它将大幅加快非线性光学过程，使全光信号处理与光计算的运行速率大幅提升，这也为未来全光激光器与光逻辑器件的集成奠定基础。”
从理论预感到实验证实：一场“顿悟时刻”的科学验证
整个研究过程中，团队经历了多次“顿悟时刻”。其中最令人难忘的一次发生在HZDR的TELBE设施束流实验中，当他们清晰观测到超构材料输出的“超快且显著的时域调制信号”时，最初的物理直觉瞬间得到了实验印证。
图2 该突破性实验在HZDR的TELBE强场太赫兹用户装置上完成
Laplace表示：“我们与合作者共同构建了该系统的理论模型，发现理论预测与实验数据高度契合。借助该模型，我们能明确区分‘真正的光子时间晶体’与普通的‘时变受调光学系统’，实验证实我们的体系正属于前者。”
Laplace坦言，那一刻带来了极大的学术满足感：“我们不仅观测到了全新的物理现象，更能对其进行精确的理论诠释。现在，我们正利用该模型在大范围参数空间中进行预筛选计算，为后续繁重耗时的物理实验提供精准指导。”
下一站：向激射阈值迈进，填补“太赫兹鸿沟”
团队接下来的核心攻关目标，是利用动力学驱动进一步降低系统内部损耗，并跨越激射阈值实现受激辐射放大，这也是光子时间晶体理论的核心预言之一。
该研究的直接应用前景将聚焦于太赫兹频段。Laplace展望道：“相较于高度成熟的电子技术和光学技术，太赫兹频段发展相对滞后，即著名的‘太赫兹鸿沟（THz Gap）’，此时开展相关研究恰逢其时。我们预见到该波段将诞生新型放大器、高效变频器、超快调制器，以及基于全新物理机制的太赫兹激光器。”
Laplace 表示，团队将持续深化研究，力争在未来几年内加速太赫兹实际器件的应用落地。同时，从基础物理视角出发，团队将持续拓展时变调控光学系统的认知边界，这不仅是当前光子学最激动人心的前沿方向之一，也将为构建下一代光子学核心架构与颠覆性器件奠定基石。
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