Nowatorskie falowody perowskitowe z efektem laserowania krawędziowego

Nowatorskie falowody perowskitowe z efektem laserowania krawędziowego. (Wizualizacja: dr Mateusz Król Uniwersytet Warszawski, the School of Physics at the Australian National University in Canberra)

Zintegrowane obwody fotoniczne działające w temperaturze pokojowej w połączeniu z optycznymi efektami nieliniowymi mogą zrewolucjonizować zarówno klasyczne, jak i kwantowe przetwarzanie sygnałów. Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, we współpracy* z innymi instytucjami z Polski a także Włoch, Islandii i Australii zademonstrowali tworzenie kryształów perowskitów o predefiniowanych kształtach, które mogą służyć w nieliniowej fotonice jako falowody, sprzęgacze, rozdzielacze i modulatory. Wyniki badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature Materials” opisują wytwarzanie tych nowatorskich struktur oraz efekt laserowania krawędziowego. W szczególności, pokazano, że efekt ten jest wynikiem tworzenia się kondensatu polarytonów ekscytonowych, będących kwazicząstkami zachowującymi się częściowo jak światło, a częściowo jak materia.

Profesor Barbara Piętka z Wydziału Fizyki UW, inicjatorka projektu i osoba odpowiedzialna za przebieg badań podkreśla, że „perowskity wykazują dużą wszechstronność: od polikrystalicznych warstw, nano- i mikro- kryształów do kryształów objętościowych. Mogą być używane w różnorodnych aplikacjach, od ogniw słonecznych po lasery. Niektóre z nich, na przykład użyty przez nas perowskit CsPbBr3, dzięki dużej energii wiązania ekscytonów i sile oscylatora, są także idealnymi półprzewodnikami do zastosowań optycznych. Te efekty pozwalają na wzmocnienie oddziaływań ze światłem, co znacznie obniża energię potrzebną do nieliniowego wzmocnienia światła”.

Badacze zastosowali powtarzalne i skalowalne metody syntezy, aby uzyskać kryształy perowskitowe o dokładnie zdefiniowanych wymiarach i kształtach. Wykorzystali podejście mikrofluidyczne, w którym kryształy hodowane są z roztworu w wąskich polimerowych formach, odciskanych z matryc o zadanym kształcie. Kluczowym elementem było sterowanie zarówno stężeniem roztworu jak i temperaturami wzrostu oraz zapewnienie atmosfery nasyconych par rozpuszczalnika. To podejście, wraz z wykorzystaniem niemal atomowo gładkich matryc z arsenku galu, wykonanych metodą elektronolitograficzną oraz trawieniem plazmowym w Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz w zespole kierowanym przez dr hab. Annę Szerling, zapewniło otrzymanie wysokiej jakości monokryształów. W ten sposób kryształy CsPbBr3 mogą być formowane w dowolne kształty, z krawędziami od narożników pod kątem prostym po gładkie zakrzywienia, co jest prawdziwym osiągnięciem w świecie krystalicznych materiałów. Dodatkową zaletą jest to, że mogą być wytwarzane na dowolnym podłożu, co zwiększa ich kompatybilność z istniejącymi urządzeniami fotonicznymi.

Mgr Mateusz Kędziora, doktorant na Wydziale Fizyki UW i pierwszy autor pracy, który opracował metody syntezy kryształów, dodaje: "Kryształy te dzięki swojej wysokiej jakości tworzą między ściankami bocznymi rezonator typu Fabry-Pérot, umożliwiając obserwację silnych efektów nieliniowych bez potrzeby wykorzystania zewnętrznych luster Bragga", co daje nadzieję na zastosowanie tych materiałów w technologii zintegrowanych obwodów fotonicznych.

Realizacja laserowania polarytonowego z interfejsów i narożników mikrodrutów, to kolejny przełom. „Długość fali emitowanego światła jest modyfikowana przez efekty silnego oddziaływania ze światłem, co wskazuje na to, że za emisję odpowiada tworzenie się nierównowagowego kondensatu Bosego-Einsteina polarytonów ekscytonowych. Nie jest to zatem konwencjonalne laserowanie z powodu efektu Purcella, a emisja z kondensatu w reżimie silnego sprzężenia światło-materia” wyjaśnia Barbara Piętka. “Wysoka koherencja pomiędzy różnymi sygnałami emitowanego światła z krawędzi i narożników, potwierdzona w fotoluminescencji dalekiego pola i spektroskopii kątowo-rozdzielonej, wskazuje na powstanie spójnego, rozciągającego się na makroskopowe odległości kondensatu polarytonowego” uzupełnia dr Helgi Sigurðsson, z Wydziału Fizyki UW oraz Science Institute, University of Iceland w Reykjaviku. Dodatkowym potwierdzeniem efektów nieliniowych jest wzrost energii wraz z rosnącym obsadzeniem danego modu (czyli tak zwany blueshift), co jest rezultatem oddziaływań wewnątrz kondensatu. Dzięki unikatowym właściwościom struktur perowskitowych kondensat może przemieszczać się na duże odległości wewnątrz kryształów, a emitowane światło propagować przez przerwy powietrzne do sąsiadujących struktur.

„Nasze symulacje pokazują jak naturalnie wytworzony rezonator dla modów światła i rozpraszanie wpływają na emisję z krawędzi i zagięć w kryształach” dodaje dr Andrzej Opala z Wydziału Fizyki UW i Instytutu Fizyki PAN, jeden z głównych autorów pracy i twórca modelu teoretycznego pokazującego jak apertura numeryczna i ograniczenie przestrzenne w mikrodrutach wpływają na obserwowane efekty. “Ponadto, dzięki obliczeniom bazującym na rozwiązaniu równań Maxwella w trójwymiarowych strukturach o skomplikowanych kształtach, mogliśmy zwizualizować mody fotonowe i pokazać, jak tworzy się ich obraz w polu dalekim” opisuje prof. Tomasz Czyszanowski z Instytutu Fizyki Politechniki Łódzkiej zajmujący się symulacjami struktur fotonicznych i laserowych. Nowe odkrycie pozwala na wykorzystanie ich w kompaktowych systemach „on-chip”, które mogą obsługiwać zarówno klasyczne, jak i kwantowe zadania obliczeniowe. „Przewidujemy, że nasze odkrycia otworzą drzwi do przyszłych urządzeń, które będą mogły działać na poziomie pojedynczych fotonów, integrując nanolasery z falowodami i innymi elementami na jednym chipie” podsumowuje prof. Michał Matuszewski z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk.

Perowskity mogą odegrać kluczową rolę w dalszym rozwoju technologii optycznych, a odkrycia fizyków z UW mogą znacząco zwiększyć szansę na wykorzystanie kryształów perowskitów w nieliniowej fotonice działającej w temperaturze pokojowej. Co więcej, opracowane struktury mogą być kompatybilne z technologią krzemową, co dodatkowo zwiększa ich potencjał komercjalizacyjny.

*Badania zostały przeprowadzona na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (UW) we współpracy z Institute of Nanotechnology CNR-Nanotec in Lecce we Włoszech, School of Physics at the Australian National University in Canberra (UAu), Siecią Badawczą Łukasiewicz - Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki (Łukasiewicz-IMiF), Instytutem Fizyki Politechniki Łódzkiej (PŁ), Science Institute at the University of Iceland in Reykjavik (UIs), Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk (CFT PAN).

PUBLIKACJA NAUKOWA:

KONTAKT:

POWIĄZANE STRONY WWW:

MATERIAŁY GRAFICZNE: