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:
- PAP Nauka w Polsce: Polacy w „Science” pokazali, jak fotony upodobnić do elektronów
- Dziennik Naukowy: Masywne fotony w sztucznym polu magnetycznym
- EurekAlert!: Massive photons in an artificial magnetic field