Międzynarodowe konsorcjum z udziałem badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego i Wojskowej Akademii Technicznej stworzyło nowy układ fotoniczny o cechach topologicznych strojonych elektrycznie. Uzyskana struktura może być wykorzystana w wydajnych i niekonwencjonalnych źródłach światła.
Autorami odkrycia są naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, włoskiego CNR Nanotec, brytyjskiego University of Southampton oraz University of Iceland. Ich dziełem jest nowy układ fotoniczny o cechach topologicznych strojonych elektrycznie, skonstruowany z perowskitów i ciekłych kryształów. Perowskity są to trwałe i łatwe do wyprodukowania materiały, których szczególną własnością jest wysoki współczynnik absorpcji światła słonecznego i dlatego wykorzystywane są do budowy nowych, wydajniejszych ogniw fotowoltaicznych. W ostatnich latach zaczęto wykorzystywać niedocenione do tej pory własności emisyjne tych materiałów.
Zauważyliśmy, że dwuwymiarowe perowskity są bardzo stabilne w temperaturze pokojowej, mają dużą energię wiązania ekscytonów oraz wydajność kwantową – mówi Karolina Łempicka-Mirek, doktorantka na Wydziale Fizyki UW, pierwszy autor publikacji w „Science Advances”.
Te szczególne właściwości mogą być wykorzystywane przy konstruowaniu wydajnych i niekonwencjonalnych źródeł światła. Ma to istotne znaczenie z punktu widzenia zastosowań w fotonice.
Planowane jest wykorzystanie perowskitów w układach optycznych do przetwarzania informacji z dużą wydajnością energetyczną – dodaje prof. Barbara Piętka.
Idealna platforma
Naukowcy stworzyli system, w którym doprowadzono do silnego sprzężenia wzbudzeń ekscytonowych w dwuwymiarowym perowskicie z fotonami uwięzionymi w dwójłomnej strukturze fotonicznej w postaci dwuwymiarowej wnęki optycznej wypełnionej ciekłym kryształem.
W takim reżimie powstają nowe kwazicząstki: polarytony ekscytonowe. Znane są one przede wszystkim z możliwości przejścia fazowego do nierównowagowego kondensatu Bosego-Einsteina, tworzenia stanów nadciekłych w temperaturze pokojowej i silnej emisji światła o charakterze podobnym do światła laserowego – wyjaśnia prof. Barbara Piętka.
Układ okazał się idealną platformą do stworzenia fotonicznych pasm energetycznych o niezerowej krzywiźnie Berrego i badania optycznych efektów spin-orbita naśladujących te obserwowane dotychczas w fizyce półprzewodników w temperaturach kriogenicznych
W tym przypadku odtworzyliśmy sprzężenie spin-orbita typu Rashba-Dresselhaus w reżimie silnego sprzężenia światło-materia w temperaturze pokojowej – precyzuje Mateusz Król doktorant na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Krzywizna Berrego opisuje ilościowo topologiczne własności pasm energetycznych w takich materiałach, jak 3D izolatory topologiczne, półmetale Weila czy materiały Diraca. Odgrywa kluczową rolę w anomalnym transporcie i kwantowym efekcie Halla. W ostatnich latach przeprowadzono wiele przełomowych eksperymentów w zakresie projektowania i badania geometrycznych i topologicznych własności pasm energetycznych w ultrazimnych gazach atomowych i fotonice.
Wnęki optyczne
Wytworzenie pasma polarytonowego o niezerowej krzywiźnie Berrego możliwe było dzięki zaprojektowaniu specjalnego skręcenia molekuł ciekłego kryształu przy powierzchni luster – tłumaczy współautor badania, prof. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej, gdzie wytworzone zostały badane wnęki optyczne.
Odkrycie dokonane przez naukowców może znaleźć zastosowanie w tworzeniu wydajnych i niekonwencjonalnych źródeł światła. Opracowana struktura fotoniczna wykorzystująca sprzężenie spin-orbita i własności polarytonów otwiera m.in. drogę do badania stanów topologicznych światła w temperaturze pokojowej. Ponadto może być użyta w optycznych sieciach neuromorficznych, gdzie niezbędna jest precyzyjna kontrola nad nieliniowymi własnościami fotonów.
źródło: UW