晶体在空间上存在周期性结构，但时间晶体十分特殊，它拥有时间上周期性变化的电磁特性。去年，有研究团队首次在实验上制造出一个时间晶体的双体系统，并观察到二者之间的相互作用与量子理论预测相符。到目前为止，对光子时间晶体的研究主要集中在三维结构的材料上，但它对三维样品中材料特性的均匀调制有极高精度的要求，导致材料合成与实验观察仍是巨大的挑战。近日，在《科学·进展》（Science Advances）上的一项新研究中，另一个研究团队构建了一种在微波频率下工作的二维光子时间晶体，这种晶体表现出放大电磁波的能力，具有广阔的应用前景。
在光子时间晶体中，光子排列的模式在时间上周期性重复，这会导致光的相长干涉和放大作用。研究团队将这个概念拓展到二维电磁结构的超表面，他们发现将维度从三维结构降低到二维结构，也会降低光子时间晶体的制备难度。而这种时变超表面不仅保留了三维光子时间晶体的关键物理特性，同时拓扑结构也更简单，会产生自由空间和表面传播电磁波的动量带隙。这意味着二维光子时间晶体不仅会放大从自由空间入射的电磁波，还会放大沿着表面传播的电磁波。而集成电路中电子元件之间的通信正是依赖表面波，因此在集成电路等通信元件上覆上二维光子时间晶体很可能有助于解决无线传输中的信号衰减问题，提升通信效率。此外，它还可以利用放大电磁波的机制简化激光器设计，或者增强无线发射器和接收器的性能。（辛文）