Zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej oraz Institut Pascal przy Université Clermont Auvergne opracował nowatorską metodę wykorzystania cholesterycznych ciekłych kryształów w mikrownękach optycznych. Wyniki ich badań otwierają drzwi do zastosowań w dziedzinie fotoniki topologicznej i nowoczesnych technologii laserowych.
Stworzona przez badaczy platforma umożliwia formowanie oraz dynamiczne przestrajanie kryształów fotonicznych z wbudowanym sprzężeniem spin-orbita (SOC) i kontrolowaną emisją laserową. Jak opisują autorzy nowatorskiego rozwiązania, we wnęce optycznej ułożono jednorodną strukturę helikalną (uniform lying helix, ULH) ciekłego kryształu w fazie cholesterycznej. Samoorganizująca się struktura helisy z osią leżącą w płaszczyźnie wnęki działa jak 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 Uniwersytetu Warszawskiego, 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.
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 – zauważa prof. Szczytko.
Mikrownęki optyczne zostały wykonane przez naukowców z Wojskowej Akademii Technicznej, w grupie prof. Wiktora Piecka.
– Opracowanie odpowiedniej mieszaniny ciekłokrystalicznej oraz warunków umożliwiających formowanie dobrze uporządkowanej jednorodnej 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.
Autorzy pomysłu zaznaczają, że naukowcy od lat opracowują nano- i mikrostruktury modulujące właściwości światła, które z nimi oddziałuje. Szczególnie należey zwrócić uwagę na 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.
– 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 – tłumaczy Marcin Muszyński, doktorant z Wydziału Fizyki UW.
I precyzuje, że unikatowość nowego układu polega na stworzeniu go w wyniku samoorganizacji molekuł ciekłego kryształu, podczas gdy samo medium zachowuje właściwości cieczy. Przyłożenie napięcia elektrycznego pozwala w czasie rzeczywistym obserwować za pomocą kamery, jak struktura ewoluuje, zachowując jednocześnie periodyczny porządek.
– 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 (interband spin-orbit coupling, ISOC) – relacjonuje Przemysław Oliwa, inny z doktorantów na Wydziale Fizyki UW.
Interpretację i dokładny opis teoretyczny tego efektu zasugerowali współpracujący z zespołem z UW prof. Guillaume Malpuech oraz prof. Dmitry Solishkov, naukowcy z Institut Pascal przy 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 – przekonuje dr inż. Piotr Kapuściński z Wydziału Fizyki UW.
Zaprezentowane 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.
Wyniki tych przełomowych badań zostały opublikowane w renomowanym czasopiśmie „Laser & Photonics Reviews”.
MK, źródło: FUW