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研究チームはこの技術的な空白地帯を埋めるため、「時間結晶」という比較的新しい物理学の概念を光の制御に持ち込んだ。時間結晶とは、空間的な配列ではなく、時間的な変化が規則正しく繰り返される状態を指す。外部からエネルギーを供給し続けなくても、システム自体が時間の経過とともに特定のパターンで変化し続ける物質の相だ。過去10年ほどの間に、物理学者たちはこの奇妙な物質状態の実験的検証を進めてきた。
École Polytechniqueのチームは、この時間結晶の性質をフォトニック結晶と融合させるために、「プラズモニクスメタマテリアル」と呼ばれる特殊な構造を作り上げた。デバイスの構造は微細でありながら複雑だ。基盤となるインジウムアンチモン（インジウムとアンチモンの化合物、赤外線・テラヘルツ領域の光学素子として優れた特性を持つ半導体）の層の上に絶縁層を重ね、さらにその上にマイクロメートルスケールの金で作られた「銃眼状」の構造を配置する。城壁の凸凹のような形をしたこの金の構造が一種の空洞として働き、光の粒子である光子を半導体層との間に閉じ込める。
そこに光が当たると、半導体表面の自由電子が集団で波のように振る舞う「表面プラズモン」が励起される。電子たちは光の波と結合し、その振動を維持する役割を担う。ここへ、テラヘルツ帯のレーザーパルスを撃ち込むことで、電子の運動状態を瞬時に変化させるのである。
物質の光学特性を光そのものの振動に合わせて書き換えるには、大きな技術的ハードルがあった。単に特性を変化させるにとどまらず、「完全に別の色を発するように」屈折率を大きく、しかもピコ秒（1兆分の1秒）という極めて短い時間の間に変化を完了させなければならない。一般的な卓上サイズのレーザー装置では、これほど出力が高く、位相の安定したテラヘルツパルスを作り出すことは不可能だった。テラヘルツ波の領域では、高エネルギーの光子を短いパルスに凝縮して発振する効率の良い光源が存在しなかったためだ。
この困難を打ち破ったのが、ドイツHZDRの粒子加速器施設「ELBE」に併設された超放射テラヘルツ光源「TELBE」だ。強力な電子ビームの力を借りることで初めて、研究チームはプラズモニクスメタマテリアルに対して、極めて高電場で位相の揃ったテラヘルツパルスを撃ち込むことができた。電子の束を光速近くまで加速し、その集団から強い電磁波を放射させるこのインフラは、卓上レーザーにはない強烈なパルス強度と高い制御性を備えている。
テラヘルツ波の強い電磁場を受けた半導体表面の電子は、その有効質量を急速に変化させる。電子が重くなり、動きが遅くなることで、デバイス全体の反射率や共鳴周波数といった光学特性が、ピコ秒スケールの間に書き換えられたのだ。これは例えるなら、窓ガラスの色や鏡の反射率が、光が通り抜けるよりも速い一瞬の間に全く別の性質へと変貌するような現象である。HZDRのJan-Christoph Deinertが指摘するように、この特殊な加速器施設がなければ、光子時間結晶に必要なコヒーレントで超高速な変調は実現し得なかった。