Zespół naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej oraz Institut Pascal przy Université Clermont Auvergne opracował nowatorską metodę wykorzystania cholesterycznych ciekłych kryształów w mikrownękach optycznych. Stworzona przez badaczy platforma umożliwia formowanie oraz dynamiczne przestrajanie kryształów fotonicznych z wbudowanym sprzężeniem spin-orbita (SOC) i kontrolowaną emisją laserową. Wyniki tych przełomowych badań zostały opublikowane w renomowanym czasopiśmie „Laser & Photonics Reviews”.

– We wnęce optycznej ułożono jednorodną strukturę helikalną (ang. uniform lying helix - ULH), ciekłego kryształu w fazie cholesterycznej. Samoorganizująca się struktura helisy z osią leżącą w płaszczyźnie wnęki działa jako jednowymiarowa, okresowa sieć fotoniczna. Jest to możliwe dzięki wyjątkowym właściwościom ciekłych kryształów, które są wydłużonymi molekułami, przypominającymi ołówek – wyjaśnia prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW, gdzie prowadzone są badania nad nowatorskimi mikrownękami optycznymi. – Struktura cholesteryczna, to spiralna struktura zbudowana z warstw niemal równolegle zorientowanych molekuł, leżących w jednej płaszczyźnie. Z warstwy na warstwę, kierunek ułożenia molekuł jest delikatnie skręcony, co w sumie buduje strukturę spiralną (helikalną) przypominającą helisy DNA lub makaron typu „świderki”. Kierunek prostopadły do warstw molekuł wyznacza oś utworzonej helisy. Okazuje się, że gdy w odpowiednim oświetleniu obserwujemy taką strukturę w kierunku prostopadłym do osi helisy, to zauważymy wyraźne pasy o szerokości równej skokowi helisy. Wykorzystanie ciekłych kryształów reagujących na pole elektryczne umożliwia precyzyjne sterowanie tym skokiem, a więc i strukturą pasm fotonicznych, otwierając nowe perspektywy w inżynierii fotonicznej – dodaje prof. Szczytko.

Opisywane efekty są możliwe dzięki zastosowaniu mikrownęk optycznych, które ograniczają ruch światła w jednym wymiarze, nadając mu właściwości podobne do cząstek obdarzonych masą. Fotony, które nie mają masy spoczynkowej, we wnęce zaczynają zachowywać się jak cząstki masywne. Dodanie powtarzającego się w przestrzeni potencjału o zadanym okresie związanym ze skokiem helisy, rozszerza tę analogię i umożliwia dalsze manipulowanie tymi właściwościami. – Celem naszych badań jest odkrywanie, w jaki sposób światło może nabywać właściwości przypisywane zwykle materii, zachowując jednocześnie swoje unikalne cechy. W naszej grupie, wykorzystując ciekłokrystaliczne mikrownęki optyczne wytwarzane we współpracy z zespołem Wojskowej Akademii Technicznej, od lat badamy optyczne analogie efektów znanych dotychczas z fizyki ciała stałego – dodaje prof. Jacek Szczytko.

Mikrownęki optyczne zostały wykonane przez naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej, w grupie prof. Wiktora Piecka, z wykorzystaniem struktur helikalnych wykreowanych przez prof. Evę Oton we wnękach wytwarzanych przez dr. inż. Przemysława Morawiaka i dr. inż. Rafała Mazura. –Opracowanie odpowiedniej mieszaniny ciekłokrystalicznej oraz warunków umożliwiających formowanie dobrze uporządkowanejjednorodnej helisy na dużej powierzchni wnęki optycznej stanowi złożone wyzwanie z zakresu inżynierii materiałowej i technologii ciekłokrystalicznej. Nasz zespół ma wieloletnie doświadczenie w kontrolowaniu samoorganizujących się struktur ciekłokrystalicznych – podkreśla prof. Wiktor Piecek z WAT.

– Naukowcy od lat opracowują nano- i mikrostruktury modulujące właściwości światła, które z nimi oddziałuje. Szczególne miejsce zajmują tu kryształy fotoniczne – powtarzalne struktury o okresach porównywalnych z długością fali światła, które prowadzą do powstania struktur pasmowych i przerw wzbronionych, uniemożliwiających fotonom przyjmowanie określonych energii, podobnie jak ma to miejsce w przypadku elektronów w półprzewodnikach – wyjaśnia Marcin Muszyński, pierwszy autor pracy i doktorant realizujący badania na Wydziale Fizyki UW. – Typowe technologie wytwarzania kryształów fotonicznych mają jednak wiele wad: ich wytworzenie jest złożone technologicznie, przez to kosztowne i czasochłonne. Same sieci mają ograniczony rozmiar, a parametry gotowych struktur, takie jak okres czy „głębokość” raz zbudowanej pułapki, trudno zmienić. Nasza praca rozwiązuje te problemy – struktury powstałe dzięki samoorganizacji mają powierzchnię rzędu setek mikrometrów kwadratowych, a dzięki reakcji molekuł ciekłego kryształu na pole elektryczne możemy dynamicznie kontrolować strukturę pasmową światła uwięzionego w mikrownęce.

– Unikalność naszego układu polega na tym, że powstaje w wyniku samoorganizacji molekuł ciekłego kryształu, a samo medium zachowuje właściwości cieczy. Przyłożenie napięcia elektrycznego pozwala nam w czasie rzeczywistym obserwować za pomocą kamery, jak struktura ewoluuje, zachowując jednocześnie periodyczny porządek – dodaje Marcin Muszyński.

– Molekuły ciekłych kryształów mają kształt elipsoidy wydłużonej w jednym kierunku. Ta charakterystyczna cecha prowadzi do wytworzenia dużej dwójłomności, która jest kluczowa w prowadzonych badaniach. Dzięki niej światło o różnej polaryzacji oddziałuje z siecią w odmienny sposób, tworząc niezależne pasma energetyczne. Zaobserwowaliśmy, że wprowadzenie nachylenia molekuł względem osi helisy prowadzi do uzyskania oddziaływania między niektórymi z podpasm energetycznych dla dwóch sieci. Efekt ten nazwaliśmy międzypasmowym sprzężeniem spin-orbita (ang. interband spin-orbit coupling, ISOC) - mówi Przemysław Oliwa, drugi autor artykułu oraz doktorant realizujący badania na Wydziale Fizyki UW. Interpretację i dokładny opis teoretyczny tego efektu zasugerowali współpracujący z naszym zespołem prof. Guillaume Malpuech oraz prof. Dmitry Solishkov, naukowcy z Institut Pascal, Université Clermont Auvergne we Francji.

– Bazując na naszych doświadczeniach z poprzednich prac, również do tej ciekłokrystalicznej periodycznej struktury wprowadziliśmy organiczny barwnik. Ten nowy system pozwolił na zaobserwowanie laserowania z dwóch stanów o różnej energii, czyli podwójnego laserowania. Co więcej, w związku z istnieniem oddziaływania spin-orbita między pasmami w periodycznej strukturze zaobserwowaliśmy laserowanie zarówno w polaryzacji liniowej jak i kołowej. Te ostatnie wyniki pokazują, że nasze badania mają zarówno charakter fundamentalny, jak i aplikacyjny – dodaje dr inż. Piotr Kapuściński z Wydziału Fizyki UW, współautor pracy.

– Nasze wyniki otwierają drzwi do zastosowań w dziedzinie fotoniki topologicznej i nowoczesnych technologii laserowych. Pokazujemy nowe możliwości łączenia efektów SOC z periodycznymi strukturami fotonicznymi, a także wskazujemy kierunki dalszych badań nad takimi zjawiskami jak topologiczne przejścia fazowe, model Su-Schrieffer-Heeger czy nieabelowe pola cechowania – podsumowuje prof. Jacek Szczytko.Badania przeprowadzone przez naukowców z UW były współfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki oraz projekt „TopoLight”, wyłoniony w konkursie European Innovation Council (EIC) Future and Emerging Technologies (FET-Open) H2020, którego koordynatorem jest Wydział Fizyki UW.

PUBLIKACJA NAUKOWA:

KONTAKT:

POWIĄZANE STRONY WWW:

MATERIAŁY GRAFICZNE: