Nowa platforma fotoniczna

Zespół naukowców z Wydziału Fizyki UW, 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 i kontrolowaną emisją laserową. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Laser & Photonics Reviews”.

– We wnęce optycznej ułożono jednorodną strukturę helikalną 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 adekwatnościom 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 ma spiralny kształt i jest zbudowana z warstw niemal równolegle zorientowanych molekuł leżących w jednej płaszczyźnie. Z warstwy na warstwę kierunek ułożenia molekuł jest delikatnie skręcony, co ostatecznie buduje strukturę spiralną przypominającą helisy DNA lub makaron typu „świderki”. Kierunek prostopadły do warstw molekuł wyznacza oś utworzonej helisy. Okazuje się, iż gdy we właściwym oświetleniu obserwujemy taką strukturę w kierunku prostopadłym do osi helisy, zauważamy 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 naukowiec.

Opisywane efekty są możliwe dzięki zastosowaniu mikrownęk optycznych, które ograniczają ruch światła w jednym wymiarze, nadając mu adekwatności 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 adekwatnościami.

Przestrajalny kryształ fotoniczny oparty na samoorganizującej się strukturze ciekłego kryształu w mikrownęce optycznej (rys. Marcin Muszyński, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego).

Światło o adekwatnościach materii

– Celem naszych badań jest odkrywanie, w jaki sposób światło może nabywać adekwatności przypisywane zwykle materii, zachowując jednocześnie swoje unikatowe cechy – wyjaśnia 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.

– Naukowcy od lat opracowują nano- i mikrostruktury modulujące adekwatności światła, które z nimi oddziałuje – mówi 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. 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.

Wyniki badań mogą mieć zastosowanie w dziedzinie fotoniki topologicznej i nowoczesnych technologii laserowych.