» » Ciekłe kryształy i uwięzione fotony – odkrycie polskich naukowców pomoże w budowie optycznych sieci neuronowych i komputerów fotonicznych

Ciekłe kryształy i uwięzione fotony – odkrycie polskich naukowców pomoże w budowie optycznych sieci neuronowych i komputerów fotonicznych

8 listo­pa­da 2019 r. w maga­zy­nie „Scien­ce” uka­za­ła się publi­ka­cja pt. ”Engi­ne­ering spin-orbit syn­the­tic Hamil­to­nians in liqu­id cry­stal opti­cal cavi­ties”, któ­rej współ­au­to­ra­mi są naukow­cy z Woj­sko­wej Aka­de­mii Tech­nicz­nej. Dr hab. inż. Wik­tor Pie­cek, prof. WAT, dr Rafał Mazur, dr Prze­my­sław Mora­wiak oraz płk dr hab. inż. Prze­my­sław Kula,  prof. WAT z Wydzia­łu Nowych Tech­no­lo­gii i Che­mii WAT współ­pra­co­wa­li z zespo­łem Wydzia­łu Fizy­ki Uni­wer­sy­te­tu War­szaw­skie­go, stu­den­ta­mi Inży­nie­rii Nano­struk­tur UW, naukow­ca­mi z Insty­tu­tu Fizy­ki PAN oraz Uni­wer­sy­te­tu w Southamp­ton i Insty­tu­tu Skol­ko­vo. Pro­wa­dzi­li bada­nia nad stwo­rze­niem dwu­wy­mia­ro­we­go ukła­du cien­kiej wnę­ki optycz­nej wypeł­nio­nej cie­kłym krysz­ta­łem, w któ­rej uwię­zio­no foto­ny. Takie foto­ny posia­da­ją zadzi­wia­ją­ce wła­ści­wo­ści i zacho­wu­ją się jak cząst­ki obda­rzo­ne masą. Stwier­dzo­no, że w trak­cie mody­fi­ka­cji wła­sno­ści wnę­ki zewnętrz­nym napię­ciem zacho­wy­wa­ły się one jak kwa­zi­cząst­ki obda­rzo­ne momen­tem magne­tycz­nym, czy­li „spi­nem” będą­ce pod wpły­wem sztucz­ne­go pola magne­tycz­ne­go.

Zacho­wa­nie świa­tła w bada­nym ukła­dzie naj­ła­twiej zro­zu­mieć poprzez ana­lo­gię do zacho­wa­nia elek­tro­nów w mate­rii skon­den­so­wa­nej. Ści­śle mówiąc elek­tro­ny w krysz­ta­le two­rzą bar­dzo skom­pli­ko­wa­ny, oddzia­łu­ją­cy ze sobą i sie­cią kry­sta­licz­ną układ, któ­re­go opis jest moż­li­wy dzię­ki wpro­wa­dze­niu poję­cia kwa­zi­czą­stek. Ich ładu­nek, spin, masa i inne wła­ści­wo­ści zale­żą od syme­trii krysz­ta­łu oraz od wymia­ru prze­strzen­ne­go, dzię­ki cze­mu fizy­cy mogą kre­ować kwa­zi-wszech­świa­ty peł­ne egzo­tycz­nych kwa­zi­czą­stek. Bez­ma­so­wy elek­tron w dwu­wy­mia­ro­wym gra­fe­nie jest jed­nym z takich przy­kła­dów. Rów­na­nia ruchu foto­nów uwię­zio­nych we wnę­ce przy­po­mi­na­ją rów­na­nia ruchu elek­tro­nów ze spi­nem – obser­wu­je się takie same sprzę­że­nia ruchu (pędu) i spi­nu elek­tro­nu jak pędu i pola­ry­za­cji foto­nu. Uda­ło się zbu­do­wać układ foto­nicz­ny, któ­ry dosko­na­le imi­tu­je wła­ści­wo­ści elek­tro­nicz­ne i pro­wa­dzi do wie­lu zaska­ku­ją­cych efek­tów fizycz­nych.

Odkry­cie nowych zja­wisk towa­rzy­szą­cych uwię­zie­niu świa­tła w ani­zo­tro­po­wych optycz­nie wnę­kach może umoż­li­wić reali­za­cję nowych urzą­dzeń opto­elek­tro­nicz­nych, np. optycz­nych sie­ci neu­ro­no­wych i wyko­ny­wa­nie obli­czeń neu­ro­mor­ficz­nych. Szcze­gól­nie obie­cu­ją­ca jest per­spek­ty­wa wytwo­rze­nia w nich uni­kal­ne­go kwan­to­we­go sta­nu mate­rii – tzw. kon­den­sa­tu Bose­go-Ein­ste­ina. Taki kon­den­sat będzie moż­na zasto­so­wać do obli­czeń i symu­la­cji kwan­to­wych, czy­li roz­wią­zy­wa­nia pro­ble­mów któ­re są zbyt trud­ne dla współ­cze­snych kom­pu­te­rów. Rodzi to nadzie­ję, że zba­da­ne zja­wi­ska będą pod­sta­wą nowych roz­wią­zań tech­nicz­nych i źró­dłem dal­szych odkryć nauko­wych.

War­to pod­kre­ślić waż­ną rolę współ­pra­cy nauko­wej jaka nawią­za­ła się pomię­dzy insty­tu­cja­mi nauko­wy­mi o róż­nych spe­cjal­no­ściach. Odkry­cia doko­na­li stu­den­ci Inży­nie­rii Nano­struk­tur na Wydzia­le Fizy­ki Uni­wer­sy­te­tu War­szaw­skie­go: Kata­rzy­na Rech­ciń­ska, Mate­usz Król, Rafał Mirek i Karo­li­na Łem­pic­ka, pra­cu­ją­cy w nowym Labo­ra­to­rium Pola­ry­to­no­wym, pod kie­run­kiem dr hab. Bar­ba­ry Pięt­ki i dr. hab. Jac­ka Szczyt­ko. Wnę­ka optycz­na wypeł­nio­na cie­kłym krysz­ta­łem zosta­ła wyko­na­na na Wydzia­le Nowych Tech­no­lo­gii i Che­mii Woj­sko­wej Aka­de­mii Tech­nicz­nej przez dr. Rafa­ła Mazu­ra i dr. Prze­my­sła­wa Mora­wia­ka, pra­cu­ją­cych w zespo­le dr. hab. inż. Wik­to­ra Piec­ka, prof. WAT. Mate­riał cie­kło­kry­sta­licz­ny o wyso­kiej ani­zo­tro­pii optycz­nej został opra­co­wa­ny i zsyn­te­ty­zo­wa­ny w gru­pie che­mi­ków, kie­ro­wa­nej przez dr. hab. inż. Prze­my­sła­wa Kulę, prof. WAT. Opis teo­re­tycz­ny obser­wo­wa­nych zja­wisk moż­li­wy był dzię­ki współ­pra­cy z prof. Witol­dem Bar­dy­szew­skim Wydzia­łu Fizy­ki UW i dr. hab. Micha­łem Matu­szew­skim z Insty­tu­tu Fizy­ki PAN. Pol­skie­mu zespo­ło­wi poma­gał prof. Pavlos Lago­uda­kis pra­cu­ją­cy na Uni­wer­sy­te­cie w Southamp­ton i w Insty­tu­cie Skol­ko­vo.

Bada­nia wspól­nie wspar­ły: Naro­do­we Cen­trum Nauki (gran­ty OPUS), Mini­ster­stwo Nauki i Szkol­nic­twa Wyż­sze­go (Dia­men­to­we gran­ty), Mini­ster­stwo Obro­ny Naro­do­wej (grant badaw­czy).

Bada­nia pro­wa­dzo­ne w Woj­sko­wej Aka­de­mii Tech­nicz­nej były reali­zo­wa­ne w ramach gran­tu Mini­ster­stwa Obro­ny Naro­do­wej pt. „Pod­sta­wy inno­wa­cyj­nych mate­ria­łów i tech­no­lo­gii podwój­ne­go zasto­so­wa­nia”, któ­re­go kie­row­ni­kiem jest prof. dr hab. inż. Leszek R. Jaro­sze­wicz. (I kon­kurs 2018). Wpar­cie finan­so­we pro­jek­tu przez Mini­ster­stwo Obro­ny Naro­do­wej umoż­li­wi­ło opra­co­wa­nie i wyko­na­nie nowych mate­ria­łów cie­kło­kry­sta­licz­nych i zaawan­so­wa­nych struk­tur foto­nicz­nych, w któ­rych zaob­ser­wo­wa­no nowe zja­wi­ska zwią­za­ne z uwię­zie­niem świa­tła we wnę­kach prze­stra­jal­nych z cie­kły­mi krysz­ta­ła­mi.

Pra­ca uka­za­ła się w maga­zy­nie „Scien­ce” 8 listo­pa­da 2019 r.

Engi­ne­ering spin-orbit syn­the­tic Hamil­to­nians in liqu­id cry­stal opti­cal cavi­ties

Auto­rzy: Kata­rzy­na Rech­ciń­ska, Mate­usz Król, Rafał Mazur, Prze­my­sław Mora­wiak, Rafał Mirek, Karo­li­na Łem­pic­ka, Witold Bar­dy­szew­ski, Michał Matu­szew­ski, Prze­my­sław Kula, Wik­tor Pie­cek, Pavlos G. Lago­uda­kis, Bar­ba­ra Pięt­ka i Jacek Szczyt­ko.

Wię­cej infor­ma­cji: