Badacze z Wydziału Fizyki UW, we współpracy z Wojskową Akademią Techniczną oraz zagranicznymi ośrodkami, uzyskali nowy układ fotoniczny o cechach topologicznych strojonych elektrycznie. O odkryciu można przeczytać na łamach „Science Advances”.

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z Wojskową Akademią Techniczną, włoskim CNR Nanotec, brytyjskim University of Southampton oraz University of Iceland uzyskali nowy układ fotoniczny o cechach topologicznych strojonych elektrycznie, skonstruowany z perowskitów i ciekłych kryształów. O odkryciu, które może znaleźć zastosowanie w tworzeniu wydajnych i niekonwencjonalnych źródeł światła można przeczytać na łamach „Science Advances”.

Perowskity są to trwałe i łatwe do wyprodukowania materiały, których szczególną własnością jest wysoki współczynnik absorpcji światła słonecznego i dlatego wykorzystywane są do budowy nowych, wydajniejszych ogniw fotowoltaicznych. W ostatnich latach zaczęto wykorzystywać niedocenione do tej pory własności emisyjne tych materiałów.

– Zauważyliśmy, że dwuwymiarowe perowskity są bardzo stabilne w temperaturze pokojowej, mają dużą energię wiązania ekscytonów oraz wydajność kwantową – mówi Karolina Łempicka-Mirek, doktorantka na Wydziale Fizyki UW, pierwszy autor publikacji.

Te szczególne właściwości mogą być wykorzystywane przy konstruowaniu wydajnych i niekonwencjonalnych źródeł światła. Ma to istotne znaczenie z punktu widzenia zastosowań w fotonice. – Planowane jest wykorzystanie perowskitów w układach optycznych do przetwarzania informacji z dużą wydajnością energetyczną – dodaje prof. Barbara Piętka.

Idealna platforma

Naukowcy stworzyli system, w którym doprowadzono do silnego sprzężenia wzbudzeń ekscytonowych w dwuwymiarowym perowskicie z fotonami uwięzionymi w dwójłomnej strukturze fotonicznej w postaci dwuwymiarowej wnęki optycznej wypełnionej ciekłym kryształem. – W takim reżimie powstają nowe kwazicząstki: polarytony ekscytonowe. Znane są one  przede wszystkim z możliwości przejścia fazowego do nierównowagowego kondensatu Bosego-Einsteina, tworzenia stanów nadciekłych w temperaturze pokojowej i silnej emisji światła o charakterze podobnym do światła laserowego – wyjaśnia prof. Barbara Piętka.

– Nasz układ okazał się idealną platformą do stworzenia fotonicznych pasm energetycznych o niezerowej krzywiźnie Berrego i badania optycznych efektów spin-orbita naśladujących te obserwowane dotychczas w fizyce półprzewodników w temperaturach kriogenicznych – wyjaśnia Mateusz Król, doktorant na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. – W tym przypadku odtworzyliśmy sprzężenie spin-orbita typu Rashba-Dresselhaus w reżimie silnego sprzężenia światło-materia w temperaturze pokojowej.

Krzywizna Berrego opisuje ilościowo topologiczne własności pasm energetycznych w takich materiałach jak 3D izolatory topologiczne, półmetale Weila czy materiały Diraca. – Odgrywa przede wszystkim kluczową rolę w anomalnym transporcie i kwantowym efekcie Halla – wyjaśnia dr Helgi Sigurdsson z Uniwersity of Iceland. W ostatnich latach przeprowadzono wiele przełomowych eksperymentów w zakresie projektowania i badania geometrycznych i topologicznych własności pasm energetycznych w ultrazimnych gazach atomowych i fotonice.

Wnęki optyczne

– Wytworzenie pasma polarytonowego o niezerowej krzywiźnie Berrego możliwe było dzięki zaprojektowaniu specjalnego skręcenia molekuł ciekłego kryształu przy powierzchni luster – tłumaczy współautor badania, prof. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej, gdzie wytworzone zostały badane wnęki optyczne.

Opracowana w ramach tej pracy struktura fotoniczna wykorzystująca sprzężenie spin-orbita i własności polarytonów otwiera drogę do badania stanów topologicznych światła w temperaturze pokojowej – tłumaczy prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW. – Ponadto może być wykorzystana w optycznych sieciach neuromorficznych, gdzie niezbędna jest precyzyjna kontrola nad nieliniowymi własnościami fotonów – dodaje prof. Barbara Piętka.

Międzynarodowy zespół naukowców prowadził badania wspierane m.in. przez Narodowe Centrum Nauki (grants 2017/27/B/ST3/00271, 2018/31/N/ST3/03046), NAWA Canaletto grant PPN/ BIT/2021/1/00124/U/00001, program Unii Europejskiej FET-Open Horyzont 2020, grant „TopoLight” (964770).