Zespół badaczy z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, francuskiego Le Centre national de la recherche scientifique i brytyjskiego University of Southampton udowodnił, że w rezonatorze optycznym możliwe jest sterowanie tzw. punktami wyjątkowymi. Fizycy po raz pierwszy na świecie zaobserwowali też anihilację punktów wyjątkowych, pochodzących z różnych punktów degeneracji. Artykuł o  odkryciu, które może przyczynić się do powstania nowoczesnych urządzeń optycznych, został opublikowany na łamach „Nature Communications”.

Wszechświat wokół nas zbudowany jest z cząstek elementarnych, z których większość ma swoje antycząstki. Gdy cząstka i antycząstka, czyli materia i antymateria spotkają się ze sobą, to dochodzi do anihilacji. Fizycy od dawna potrafią wytworzyć kwazicząstki i kwaziantycząstki – elementarne wzbudzenia ładunku, drgań, energii – uwięzione w materii, najczęściej w kryształach lub cieczach.

Kwazicząstki w teorii i praktyce

– Świat kwazicząstek potrafi być bardzo skomplikowany, chociaż paradoksalnie same kwazicząstki pomagają uprościć opis zjawisk kwantowych – wyjaśnia dr hab. Jacek Szczytko, prof. UW z Wydziału Fizyki, jeden z autorów publikacji. – Bez kwazicząstek trudno byłoby zrozumieć działanie tranzystora, diody świecącej, nadprzewodnika i niektórych komputerów kwantowych – dodaje.

Kwazicząstkami mogą być nawet abstrakcyjne matematyczne pojęcia, o ile uda się je zrealizować w układach fizycznych. Jednymi z takich abstrakcyjnych pojęć są punkty wyjątkowe. – Są to szczególne parametry układu prowadzące do uwspólnienia dwóch różnych rozwiązań, które mogą istnieć tylko w układach tłumionych, to jest takich, w których oscylacje powoli zanikają w czasie. Punkty wyjątkowe można wykorzystać do tworzenia ultraczułych sensorów, laserowania jednomodowego czy transportu jednokierunkowego – wyjaśnia prof. Guillaume Malpuech z Institute Pascal, CNRS.

– Każdy punkt wyjątkowy charakteryzuje się także niezerowym ładunkiem topologicznym, pewną matematyczną cechą, która opisuje fundamentalne właściwości geometryczne i pozwala określić, który punkt wyjątkowy będzie antycząstką dla innego punktu wyjątkowego – dodaje prof. Dmitry Solnyshkov z Institute Pascal, CNRS.

Rzut światła na ciekły kryształ

Naukowcy analizowali rezonator optyczny wypełniony ciekłym kryształem. Ciekłe kryształy są fazą pośrednią pomiędzy dwoma stanami skupienia materii – ciekłym i stałym. Mimo ich płynnej postaci można wyróżnić kierunki, tzw. osie optyczne. Można je zaobserwować przy pomocy światła, które zachowuje się różnie w zależności od kierunku padania względem tych osi. Cecha ta, połączona z łatwą przestrajalnością zewnętrznym polem elektrycznym, jest podstawą działania wyświetlaczy ciekłokrystalicznych LCD. Światło spolaryzowane, czyli o określonym kierunku drgań pola elektrycznego fali elektromagnetycznej, doskonale „czuje” kierunek osi optycznych, a te są związane z kierunkiem ułożenia wydłużonych molekuł ciekłego kryształu.

W przeprowadzonych badaniach warstwę ciekłego kryształu umieszczono pomiędzy dwoma płaskimi zwierciadłami. – Całość tworzy wnękę optyczną, przez którą może przejść jedynie światło, dla którego odległość pomiędzy zwierciadłami stanowi wielokrotność połowy długości fali – tłumaczy współautor badania, dr hab. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej.

Warunek ten jest spełniony dla tzw. modów rezonansowych wnęki, czyli światła o określonym kolorze (energii), polaryzacji i kierunku propagacji. Odpowiada to sytuacji, gdy foton, który wpada do wnęki, może się swobodnie wielokrotnie odbijać pomiędzy dwoma lustrami. Obecność ciekłego kryształu, którego orientację można zmieniać przez przyłożenie napięcia, pozwala na strojenie energii modów wnękowych. Dodatkowo warunek rezonansu zmienia się, gdy światło pada na wnękę pod kątem, co może prowadzić w szczególności do sytuacji, w której różne mody wnękowe mogą się ze sobą przecinać, czyli mieć tę samą energię pomimo różnej polaryzacji światła.

W rozpatrywanej w artykule orientacji ciekłego kryształu dwa różne mody wnękowe powinny przecinać się jedynie dla czterech konkretnych kątów padania światła. Takie założenie pozwoliłoby na uzyskanie idealnej struktury bez żadnych strat światła. W rzeczywistości światło uwięzione we wnęce może wydostać się przez nieidealne zwierciadła lub ulec rozproszeniu. Średni czas przebywania fotonu wewnątrz mikrownęki można wyznaczyć na podstawie pomiarów spektroskopowych.

Co więcej, ze względu na wyróżnianie kierunków przez warstwę ciekłokrystaliczną zaobserwowano różnicę w rozpraszaniu światła spolaryzowanego wzdłuż i prostopadle do osi ciekłego kryształu. Na skutek tego w miejscu każdego punktu degeneracji (punktu, w którym dla idealnej, bezstratnej wnęki różne mody wnękowe mają taką samą energię) zaobserwowano parę tzw. punktów wyjątkowych, dla których zarówno energia, jak i czas życia fotonu we wnęce są takie same.

Anihilacja punktów wyjątkowych sterowanych napięciem

– W badanym układzie zaobserwowano, że położeniem punktów wyjątkowych można sterować przez zmianę napięcia przykładanego do wnęki – wyjaśnia Mateusz Król z Wydziału Fizyki UW, pierwszy autor publikacji. – Wraz ze zmniejszaniem napięcia punkty wyjątkowe powstałe z różnych punktów degeneracji zbliżają się do siebie, a dla odpowiednio niskiego napięcia nachodzą na siebie. Jako że przybliżające się punkty charakteryzują się przeciwnym do siebie ładunkiem topologicznym, w momencie spotkania anihilują, nie pozostawiając żadnego punktu wyjątkowego – tłumaczy badacz. – Tego typu zachowanie topologicznych kwazicząstek, czyli anihilacja punktów wyjątkowych pochodzących z różnych punktów degeneracji, zostało zaobserwowane po raz pierwszy – dodaje Ismael Spetembre, doktorant w CNRS. Wcześniejsze prace pokazywały anihilację punktów wyjątkowych, ale były to kwazicząstki, które pojawiały się i znikały dokładnie w tych samych punktach degeneracji.

Punkty wyjątkowe są w ostatnich latach szczególnie intensywnie badane w różnych dziedzinach fizyki. – Nasze odkrycie może pozwolić na powstanie urządzeń optycznych, których właściwościami topologicznymi będzie można sterować za pomocą napięcia – podsumowuje dr hab. Barbara Piętka, prof. ucz. z Wydziału Fizyki UW.