吉林
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全球首个全光子时间晶体（PTC）制备技术问世：重构光调控，催生光计算、新型通信与激光器
光子时间晶体原理示意图
一、核心科研突破概况
- 研发团队与发表载体
- 法国巴黎综合理工学院、法兰西公学院、德国亥姆霍兹德累斯顿 - 罗森多夫研究中心（HZDR）国际联合团队，7 月 29 日成果刊发于《Nature》，是人类首次实验制备全光子驱动型光子时间晶体（All-Optical PTC）
- 核心实验设备
- 依托 HZDR 的TELBE 超辐射太赫兹光源，在太赫兹（THz）频段完成光 - 物质强耦合，实现皮秒级光学特性周期性调控ScienceDai...。
- 核心器件结构
- 采用等离子体超材料：微米级金凹槽微腔 + 绝缘层 + 铟锑半导体基底；太赫兹脉冲激发表面等离激元，让材料折射率、反射率在皮秒（10⁻¹² 秒）周期反复变化，调制速度与光波自身振荡周期持平。
- 传统空间光子晶体
- 依靠空间周期性纳米结构控光，折射率固定不变，只能静态阻挡、引导特定波长光线，调控方式无法随时间动态切换。
- 全光子时间晶体 PTC（本次突破）
- 材料空间结构均匀，光学参数随时间周期性超快变化，形成时间维度光子晶格；诞生独有的动量带隙（k-gap），可实现光指数放大、非互易传播、无增益介质相干发光，彻底拓展光操控自由度北京理工大...。
- 关键技术难点攻克
- 此前微波频段仅能实现弱电调制，可见光 / 太赫兹波段无法同时满足超快 + 高强度双重调制；本次纯光驱动方案完全摆脱电压、磁场、温度等外部调控介质，实现 “用光控光”。
现有硅基电子芯片受电子漂移速度限制，主频、功耗存在物理天花板；PTC 基于光子传递、运算信息：
- 运算速度提升千倍量级，太赫兹带宽远超现有硅芯片；
- 光信号无电子发热损耗，算力集群功耗大幅下降；
- 动量带隙可实现光子存储、逻辑门、并行运算一体化，未来可构建全光 AI 算力芯片，解决当前大模型算力能耗难题。
太赫兹是 6G、空天地一体化通信核心频段，但传统器件难以动态适配信道干扰：
- PTC 可皮秒级实时调制光频、波束形态，自动屏蔽干扰、自适应信道带宽；
- 支持轨道角动量（OAM）涡旋光复用，单信道通信容量提升数十倍；
- 深空卫星、车载毫米波通信、室内高速无线传输均可适配，信号抗遮挡、抗衰减能力大幅增强。
传统激光器依赖高 Q 谐振腔、化学增益介质，设备体积大、调谐范围受限；PTC 独有光放大机制：
- 无需传统增益介质、谐振腔即可产生相干激光，设备微型化；
- 输出波长可皮秒级连续调谐，覆盖安检、医疗成像、工业无损检测；
- 低功耗、室温工作，可批量集成芯片级太赫兹光源，填补现有检测设备短板。
- 生物医疗传感：指数放大微弱生物荧光信号，实现病毒、肿瘤标志物超高灵敏度检测；
- 雷达与成像：动态可调太赫兹波束，穿透衣物、塑料，无损安检无电离辐射；
- 量子信息：精准操控单光子时序，用于量子加密、量子计算光路核心单元。
- 光学基础物理突破
- 首次完整验证纯光驱动时间晶体理论，把光调控从静态空间维度拓展至动态时间维度，开辟 Floquet 光子学全新研究方向；
- 打通太赫兹技术产业化瓶颈
- 太赫兹长期存在 “光源弱、调控难” 痛点，PTC 提供低成本、集成化调控方案，加速 6G、医疗成像落地；
- 下一代算力硬件底层路线
- 为完全替代电子芯片的全光计算机提供核心材料方案，有望突破摩尔定律物理极限。
- 现存短板
- 当前仅稳定工作于太赫兹波段，可见光、通信红外波段调制效率仍需优化；原型器件为实验室宏观样品，尚未实现芯片级微型集成。
- 短期研发目标（3-5 年）
- 缩小器件尺寸至微米级，兼容半导体晶圆工艺；
- 拓展可见光、通信红外波段 PTC 制备；
- 开发小型化片上光计算、通信验证原型机。
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