Zintegrowane obwody fotoniczne działające w temperaturze pokojowej w połączeniu z optycznymi efektami nieliniowymi mogą zrewolucjonizować zarówno klasyczne, jak i kwantowe przetwarzanie sygnałów. Naukowcy z kilku polskich uczelni i instytutów we współpracy z uczonymi z Włoch, Islandii i Australii zademonstrowali tworzenie kryształów perowskitów o predefiniowanych kształtach, które mogą służyć w nieliniowej fotonice jako falowody, sprzęgacze, rozdzielacze i modulatory.
Prof. Barbara Piętka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, inicjatorka projektu i osoba odpowiedzialna
za przebieg badań, których wyniki opisują wytwarzanie tych nowatorskich struktur oraz efekt laserowania krawędziowego, 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 CsPbBr 3, 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 – wyjaśnia Piętka.
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 Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki, zapewniło otrzymanie wysokiej jakości monokryształów. W ten sposób kryształy CsPbBr 3 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 zaletę stanowi to, że mogą być wytwarzane na dowolnym podłożu, co zwiększa ich kompatybilność z istniejącymi urządzeniami fotonicznymi.
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 – podkreśla Mateusz Kędziora, doktorant na Wydziale Fizyki UW i pierwszy autor pracy, który opracował metody syntezy kryształów.
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 prof. 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. 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 obrazują, w jaki sposób naturalnie wytworzony rezonator dla modów światła i rozpraszanie wpływają na emisję z krawędzi i zagięć w kryształach – zauważa 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.
Dzięki obliczeniom bazującym na rozwiązaniu równań Maxwella w trójwymiarowych strukturach o skomplikowanych kształtach, naukowcy mogli zwizualizować mody fotonowe i pokazać, jak tworzy się ich obraz w polu dalekim. Nowe odkrycie pozwala na wykorzystanie struktur fotonicznych i laserowych 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 wyniki badań prowadzonych przez naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego we współpracy z Institute of Nanotechnology CNR-Nanotec in Lecce we Włoszech, School of Physics at the Australian National University in Canberra, Siecią Badawczą Łukasiewicz – Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki, Instytutem Fizyki Politechniki Łódzkiej, Science Institute at the University of Iceland in Reykjavik i Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, mogą znacząco zwiększyć szansę na wykorzystanie kryształów perowskitów w nieliniowej fotonice działającej w temperaturze pokojowej. Opracowane struktury mogą być kompatybilne z technologią krzemową, co dodatkowo zwiększa ich potencjał komercjalizacyjny.
AST, źródło: FUW