Fotografija: Osebni arhiv
Datum objave: 18.06.2021
Kategorija: Raziskovalci v objektivu, ERC in MSCA
Prenos podatkov z optičnimi vlakni, kjer kot nosilce informacij namesto elektronov uporabljamo fotone, je revolucionarno povečal našo zmožnost obdelave vedno večjih količin informacij v vedno krajšem času. Kot sestavni del hitrega interneta za široko rabo je to med najbolj znanimi dosežki fotonike – vede o proizvajanju, prenašanju, spreminjanju in zaznavanju svetlobe. Vendar pa trenutne tehnologije, ki temeljijo na dragi in energetsko potratni pretvorbi foton → elektron → foton, ne zadoščajo okoljevarstvenim omejitvam.
Projekt OPTOSOL je namenjen širjenju fotonike čez meje najsodobnejših trdnih materialov in raziskuje nove interakcije svetlobe s snovjo v t. i. »topoloških mehkih materialih«; to so anizotropne tekočine z robustnimi dvolomnimi strukturami, ki omogočajo manipuliranje svetlobe na mikroskopski ravni. Cilj projekta je bil določitev optimalnih načinov vodenja svetlobe v kiralnih mehkih materialih, za katere je značilno, da niso enaki svojim zrcalnim slikam – podobno kot leva dlan ni enaka desni. Te mehke materiale je mogoče z zunanjimi polji spreminjati v realnem času in tako omogočiti nove načine upravljanja svetlobe, težko izvedljive s trdnimi materiali.
Projekt OPTOSOL je financirala EU v okviru programa štipendij za posameznike Marie Skłodowska Curie Individual Fellowship, izvedel pa ga je dr. Guilhem Poy na Fakulteti za matematiko in fiziko (Univerza v Ljubljani) pod mentorstvom prof. Slobodana Žumra. Teoretično in numerično raziskovanje v Ljubljani so dopolnjevale eksperimentalne raziskave skupine prof. Ivana Smalyukha iz Univerze v Coloradu (Boulder, ZDA).
Raziskave so potekale na kiralnih tekočih kristalih, ki so sorodni njihovi ne kiralni zvrsti bolje poznani zaradi uporabe v večini prikazovalnikov mobilnih telefonov, računalnikov in televizorjev. Kiralnost je ena od temeljnih lastnosti predmetov in njenih gradnikov, ki zahteva, da se določen objekt (od molekul do oprijemljivih makroskopskih predmetov) razlikuje od svoje zrcalne slike. Ta lastnost bistveno vpliva na fizikalne lastnosti predmetov in materialov; za primer lahko vzamemo padanje javorovih semen, ki se zaradi svoje oblike med padanjem vrtijo v spirali (zelo pogost primer kiralne oblike).
Pri svojem delu smo se oprli na temeljna dela skupin Assanta in Karpierza [1,2] ter med drugim pokazali, da ima lahko kiralnost pomembno vlogo pri optičnih lastnostih materialov [3]. Glavni poudarek našega dela je bil na optičnih solitonih, laserskih žarkih, ki sami sebe fokusirajo in lahko v ravni črti potujejo brez izgubljanja energije. Pokazali smo, da je mogoče kritično moč žarka, ki je potrebna za tvorbo optičnega solitona, močno zmanjšati, če v prenosni tekoče kristalni dodamo kiralne molekule. Te optične solitone lahko razumemo kot »optične vodnike«, ki fotone brez izgub prenašajo iz točke A v točko B, podobno kot električni vodniki elektronskih naprav, zato bi utegnil biti ojačitveni učinek kiralnosti, ki smo ga dokazali teoretično in eksperimentalno, uporaben pri načrtovanju optičnih ter fotonskih naprav z majhno porabo energije.
S tem pa zgodbe še ni konec! Z dodajanjem kiralnih molekul v običajne tekoče kristale je mogoče tudi stabilizirati zelo robustne strukture, ki jim pravimo topološki solitoni. Primerjamo jih lahko s klobčiči volne, ki jih je težko hitro odviti, saj so topološki solitoni »vozlaste« strukture, ki jih ni mogoče razplesti brez pretrganja. Drugi del raziskave je pokazal, da je mogoče te zanimive in robustne pojave uporabiti za manipulacijo in usmerjanje pretoka fotonov v medijih s kiralnimi tekočimi kristali [4], podobno kot biljardna krogla ob trku spremeni pot druge premikajoče se krogle (glejte sliko spodaj). Dosežka skupaj odpirata novo paradigmo medsebojno povezanih optično aktivnih naprav, ki temeljijo na topoloških solitonih: z uporabo več kroglam podobnih solitonov, kot je prikazan na sliki spodaj, bi lahko ustvarili strukture, ki ustrezajo elektronskim logičnim vratom, tj. naprave, ki omogočajo računske operacije s svetlobo namesto z elektroni.
Simulacija interakcije svetlobe (zelena) s topološkim solitonom (svetel krožni predmet), kjer prihaja do odklona (zgoraj) ali lečenja (spodaj) glede na vpadni položaj žarka. Bele črte označujejo teoretično napovedano smer potovanja fotonov. Beli pravokotnik predstavlja razdaljo 100 μm.
Literatura
[1] Karpierz, M.A., ‘Solitary waves in liquid crystalline waveguides’, Physical Review E 66, 036603 (2002).
[2] Peccianti, M., Dyadyusha, A., Kaczmarek, M., and Assanto, G., ‘Tunable refraction and reflection of self-confined light beams’, Nature Physics 2, 737 (2006).
[3] Poy, G., Hess, A.J., Smalyukh, I.I., Žumer, S., ‘Chirality-Enhanced Periodic Self-Focusing of Light in Soft Birefringent Media’, Physical Review Letters 125, 077801 (2020).
[4] Hess, A.J., Poy, G., Tai, J.-S. B., Žumer, S. and Smalyukh, I. I., ‘Control of Light by Topological Solitons in Soft Chiral Birefringent Media’, Physical Review X 10, 031042 (2020).