– Zamiast budować złożone układy, wykorzystaliśmy ciekły kryształ, czyli materiał o właściwościach pośrednich między cieczą a ciałem stałym. Choć można go przelewać jak ciecz, jego cząsteczki układają się w uporządkowany sposób, zachowując kierunek i wzajemne położenie, podobnie jak w krysztale – mówi inż. Joanna Mędrzycka, studentka nanoinżynierii na Wydziale Fizyki UW, która wraz z dr Evą Oton z Wojskowej Akademii Technicznej przygotowała próbki ciekłokrystaliczne.
Czym są torony?
W takiej strukturze można wywołać defekty zwane toronami.
– Można je sobie wyobrazić jako ciasno skręconą spiralę – podobną do DNA – wzdłuż której układają się cząsteczki ciekłego kryształu. Jeśli taką spiralę zamkniemy, łącząc jej końce w pierścień przypominający pączek, otrzymamy właśnie toron – wyjaśnia Joanna Mędrzycka i dodaje: – Struktury te działają jak mikroskopijne pułapki dla światła. Kluczowym krokiem było stworzenie dla fotonów odpowiednika pola magnetycznego. Choć światło nie reaguje na pole magnetyczne tak jak elektrony, możliwe jest odtworzenie jego efektu innymi metodami.
– Zmienna w przestrzeni dwójłomność, czyli różnica w propagacji różnych polaryzacji światła, działa jak syntetyczne pole magnetyczne – tłumaczy dr Piotr Kapuściński z Wydziału Fizyki UW. – Nazywamy je „syntetycznym”, ponieważ jego matematyczny opis przypomina działanie pola magnetycznego, choć fizycznie go tam nie ma. W efekcie światło zaczyna „zakręcać”, podobnie jak elektrony poruszające się po orbitach cyklotronowych.
Aby wzmocnić to zjawisko, toron umieszczono w mikrownęce optycznej – strukturze złożonej z luster, w której światło wielokrotnie się odbija i pozostaje uwięzione przez dłuższy czas.
– Dzięki temu pole działa znacznie silniej – mówi dr Muszyński. – Dodatkowo możemy kontrolować rozmiar pułapki, a więc i właściwości światła, za pomocą zewnętrznego napięcia elektrycznego – dodaje naukowiec.
– W typowych układach światło z orbitalnym momentem pędu pojawia się w stanach wzbudzonych. Nam po raz pierwszy udało się uzyskać taki efekt w stanie podstawowym, czyli najniższym energetycznie. To istotne, ponieważ stan podstawowy jest najbardziej stabilny i najłatwiej się w nim gromadzi energia – wyjaśnia prof. Guillaume Malpuech z Université Clermont Auvergne i CNRS, który wraz z prof. Dmitryjem Solnyshkovem i Daniilem Bobylevem opracowali model teoretyczny zjawiska.– Dzięki temu znacznie łatwiej uzyskać laserowanie. Światło naturalnie „wybiera” ten stan, ponieważ wiąże się on z najmniejszymi stratami – podkreśla prof. Szczytko.
Miniaturowe źródła
światła
Aby to potwierdzić, badacze dodali do układu barwnik laserowy.
– Otrzymaliśmy światło, które nie tylko wiruje, ale także zachowuje się jak światło laserowe: jest spójne, ma dobrze określoną energię i kierunek emisji – mówi dr Marcin Muszyński.
– Co ciekawe, nasze podejście czerpie inspirację z bardzo zaawansowanych teorii dotyczących tak zwanego ładunku wektorowego. W pewnym sensie udało nam się sprawić, że fotony zachowują się już nawet nie jak elektrony, ale jak kwarki, naładowane cząstki, z których składają się protony – dodaje prof. Dmitry Solnyshkov.
Odkrycie otwiera nową drogę do tworzenia miniaturowych źródeł światła o złożonej strukturze.
– To pokazuje, że zamiast skomplikowanej nanotechnologii można wykorzystać materiały samoorganizujące się. W przyszłości może to umożliwić budowę prostszych i bardziej skalowalnych urządzeń fotonicznych, na przykład do komunikacji optycznej czy technologii kwantowych – podsumowuje prof. Wiktor Piecek.
