Elektrony uwięzione w strukturach o dwóch wymiarach mogą zachowywać się zupełnie inaczej niż elektrony swobodne. Na przykład w grafenie, płaskiej, bo jednoatomowej grubości strukturze węgla o symetrii plastra miodu, elektrony zachowują się jak cząstki światła zwane fotonami.

Teraz naukowcy – przede wszystkim z Polski – pokazali odwrotną zależność: udowodnili, że fotony – a więc cząstki bezmasowe i poruszające się z prędkością światła – mogą czasem zachowywać się tak, jak elektrony, a więc cząstki wolniejsze, posiadające masę i reagujące na zmiany w polu magnetycznym. Badania te należą do pionierskich w wykluwającym się dopiero obszarze wiedzy: fotonice topologicznej. Badania ukazały się w prestiżowym “Science”.

“Udało nam się stworzyć masywne fotony reagujące na sztuczne pole magnetyczne” – mówi w rozmowie z PAP kierownik badań prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. “A dokładnie stworzyliśmy kwazicząstki z fotonów. Zachowują się one jak elektrony – mają masę i spin” – dodaje.

Takie niezwykłe zachowanie fotonów udało się wymusić we wnękach optycznych opracowanych w interdyscyplinarnej współpracy fizyków z UW, badaczy z Wojskowej Akademii Technicznej, Instytutu Fizyki PAN oraz Uniwersytetu w Southampton i Instytutu Skolkovo pod Moskwą.

“Wnęka optyczna to dwa idealne lustra umieszczone bardzo blisko siebie – mniej więcej w odległości 1 mikrona. Między nie wpuszcza się światło” – opisuje Jacek Szczytko. Wyjaśnia, że światło (bo przecież ma ono naturę nie tylko cząstek, ale i fali) odbija się od takich zwierciadeł tworząc tzw. falę stojącą (taka fala tylko oscyluje, ale nie przemieszcza się w żadnym kierunku). Gdy wnękę oświetlimy pod kątem, taka fala zaczyna się poruszać w płaszczyźnie jak cząstka obdarzona masą.

Badacze wypełnili wnękę materiałem ciekłokrystalicznym. To o tyle ciekawy materiał, że jego molekuły pod wpływem zewnętrznego napięcia mogą się obracać, tym samym zmieniając załamanie światła. Fotony więc inaczej płyną wzdłuż kryształów tego materiału niż w ich poprzek, a zmiany te można kontrolować elektrycznie.

W takiej wnęce udało się wytworzyć fale stojące światła, których energia (częstotliwość drgań) była inna, gdy pole elektryczne fali (polaryzacja) było skierowane w poprzek molekuł, a inna dla polaryzacji wzdłuż ich osi (takie zjawisko nazywa się anizotropią optyczną). W ten sposób powstało sztuczne pole magnetyczne, na które reagowały cząstki światła.

Na zdjęciu poniżej widać, jak energia światła zależy od kąta, pod którym światło wychodzi z wnęki.

Zależność energii (pionowa oś) od kąta pod którym wychodzi spolaryzowane światło z wnęki anizotropowej optycznej (pozioma oś). Rys. Mateusz Król

DLACZEGO TO JEST WAŻNE?

“+Science+ uznało nasze badania za ważne, bo nasza mikrownęka może być świetnym poligonem do testowania fizyki topologicznej elektronów. A teraz w fizyce materii skondensowanej jest moda na układy topologiczne. Dzięki naszym badaniom można zaś będzie opracowywać model fizyki ciała stałego, ale bez ciała stałego – jedynie za pomocą fotonów” – mówi dr Szczytko. I dodaje, że układy optyczne mogą być prostsze w zastosowaniu niż tradycyjne.

“Kiedy pokazaliśmy to kolegom, którzy pracują nad fizyką materii skondensowanej, mieli od razu mnóstwo pomysłów, jak wykorzystać naszą ideę” – cieszy się badacz.

Tomografia spolaryzowanego kołowo światła odbitego od wnęki optycznej wypełnionej ciekłym kryształem. (rys. Mateusz Król)

Odkrycie nowych zjawisk towarzyszących uwięzieniu światła w anizotropowych optycznie wnękach może przydać się także w opracowaniu nowych urządzeń optoelektronicznych, np. optycznych sieci neuronowych.

Szczególnie obiecująca jest też – według autorów badań – perspektywa wytworzenia we wnękach unikalnego kwantowego stanu materii – tzw. kondensatu Bosego-Einsteina (w takim stanie materii cząstki tworzą zgraną grupę, której członkowie zachowują się synchronicznie, jak zespół cheerleaderek). Taki kondensat – ale utworzony nie z atomów, tylko z fotonów – być może okaże się łatwiejszy do zastosowania w obliczeniach i symulacjach kwantowych – przy rozwiązywaniu problemów, które są zbyt trudne dla współczesnych komputerów.

Schemat doświadczenia – polaryzacja kołowa światła (zaznaczona czerwonym i niebieskim kolorem) przechodzącego przez wnękę wypełnioną ciekłym kryształem zależy od kierunku propagacji. (rys. Mateusz Król)

Badania prezentowane w “Science” możliwe były dzięki współpracy naukowców z różnych instytucji i z różnych obszarów wiedzy. Odkrycia dokonali studenci inżynierii nanostruktur UW: Katarzyna Rechcińska, Mateusz Król, Rafał Mirek i Karolina Łempicka pod kierunkiem dr hab. Barbary Piętki i dr. hab. Jacka Szczytko. Wnęka optyczna wypełniona ciekłym kryształem została wykonana na WAT przez dr. Rafała Mazura i dr. Przemysława Morawiaka. Materiał ciekłokrystaliczny o wysokiej anizotropii optycznej został opracowany i zsyntetyzowany w grupie chemików kierowanej przez dra hab. inż. Przemysława Kulę, prof. WAT. A przy opisie teoretycznym pomogli prof. Witold Bardyszewski z FUW i dr hab. Michał Matuszewski z IF PAN. Polskiemu zespołowi pomagał prof. Pavlos Lagoudakis (brytyjski Uniwersytet w Southampton i rosyjski Instytut Skolkovo).

PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala