Un cristal de tiempo fotónico es un medio óptico cuyo índice de refracción cambia con el tiempo de forma ultrarrápida; el término se usa en analogía con un cristal fotónico, a secas, un metamaterial cuyo índice de refracción cambia con el espacio en escalas inferiores a la longitud de onda de la luz usada. En un cristal de tiempo fotónico, como en un cristal fotónico, aparecen bandas prohibidas (bandgaps). Se publica en Science un estudio teórico sobre la emisión de luz de un dipolo en el interior de un cristal de tiempo fotónico; se observa un efecto de amplificación exponencial de la luz emitida (si su longitud de onda está ajustada al salto de banda) que permite obtener un láser sin necesidad de una cavidad con espejos. Por ahora es solo una propuesta teórica, aunque se haya publicado en Science; no parece nada fácil realizar el experimento en laboratorio. Y, por supuesto, un cristal de tiempo fotónico no tiene nada que ver con un cristal de tiempo de Wilczek, a pesar del nombre.
La característica clave del cristal de tiempo fotónico es la existencia de dos soluciones dentro de la banda prohibida: una disipativa en la que el modo decae exponencialmente y otra inestable en la que el modo crece exponencialmente. Esta última es la que permite el fenómeno de amplificación láser predicho. En un láser convencional se usa un medio activo en una cavidad resonante entre dos espejos cuya emisión se estima con un sistema de bombeo. En el cristal de tiempo fotónico la banda prohibida actúa cavidad óptica en el tiempo, dando lugar a «espejos temporales» en los que ocurren reflexiones ópticas en el tiempo. Para que el láser de cristal de tiempo fotónico funcione en al rango del infrarrojo es necesario que los cambios temporales del índice de refracción ocurran en la escala de los femtosegundos; en laboratorio es muy difícil lograr variaciones tan rápidas, pero hay avances recientes que apuntan a que se podría lograr en los próximos años.
El artículo es Mark Lyubarov, Yaakov Lumer, …, Mordechai Segev, «Amplified emission and lasing in photonic time crystals,» Science 377: 425-428 (09 Jun 2022), doi: https://doi.org/10.1126/science.abo3324, arXiv:2201.12116 [physics.optics] (28 Jan 2022); más información divulgativa en Daniele Faccio, Ewan M. Wright, «To make a mirrorless laser,» Science 377: 368 (21 Jul 2022), doi: https://doi.org/10.1126/science.abq5012. Obviamente, ya se han propuesto los cristales fotónicos espaciotemporales, Yonatan Sharabi, Alex Dikopoltsev, …, Mordechai Segev, «Spatiotemporal photonic crystals,» Optica 9: 585-592 (25 May 2022), doi: https://doi.org/10.1364/OPTICA.455672.
El modelo teórico propuesto describe un sistema ideal para el cristal de tiempo y para el emisor (una fuente dipolar). En un sistema real hay multitud de efectos que podrían penalizar el efecto de amplificación láser (los comportamientos inestables suelen ser difíciles de controlar). Aún así, la ardua labor de los físicos experimentales es reducir al mínimo todo efecto pernicioso y aumentar en todo lo posible los que son beneficiosos para lo que se pretende observar. Esta figura, arriba, muestra la curva de dispersión en el cristal de tiempo fotónico; dentro de la banda prohibida la curva es plana y aparecen los dos modos no conservativos (curva roja), el que amplifica (curva roja positiva) y el que disipa (curva roja negativa). En un sistema real nunca se obtendrá una curva de dispersión tan perfecta, ni siquiera dentro de la banda prohibida, que además será estrecha; los problemas que se auguran para los físicos ópticos experimentales son enormes. Pero muchos se crecen ante los retos que parecen imposibles.
Me llamó la atención este artículo teórico en Science por dos razones. La primera porque es un artículo teórico; resulta excepcional leer artículos teóricos en revistas como Science y Nature. Y la segunda porque tuvo muy poco eco mediático cuando se publicó; la mayoría de los artículos sobre cristales de tiempo publicados en revistas como Science y Nature suelen generar bastante atención mediática. Quizás la razón es que es un artículo teórico; de hecho, en dos meses desde que se publicó en Science y ocho meses desde que apareció en arXiv aún no ha recibido ninguna cita, según Google Scholar. Quizás por casos como este revistas como Science y Nature publican muy pocos artículos teóricos.