W czasopiśmie naukowym „Science” ukazał się artykuł, którego współautorami są pracownicy i studenci Wydziału Fizyki UW. Naukowcy z UW, wraz z badaczami z innych ośrodków naukowych, stworzyli wnękę optyczną wypełnioną ciekłym kryształem i uwięzili w niej fotony. Zaobserwowali, że w takich warunkach fotony zachowują się jak cząstki obdarzone masą. Rezultaty badań pomogą opracować nowe rozwiązania techniczne.

Zamiast trzech, dwa wymiary

Świat wokół nas ma trzy wymiary przestrzenne. Elektrony uwięzione w dwóch wymiarach mogą nabierać właściwości zupełnie innych niż elektrony swobodne. Na przykład w grafenie, dwuwymiarowej strukturze węgla, elektrony zachowują się jak obiekty pozbawione masy, czyli jak cząstki światła zwane fotonami.

Niecodzienne zachowanie fotonów

Ta wiedza zainspirowała naukowców z UW i innych ośrodków naukowych do podjęcia badań nad światłem uwięzionym w dwuwymiarowych strukturach – tak zwanych wnękach optycznych. Stworzyli oni wnękę, w której uwięzili fotony pomiędzy dwoma doskonałymi lustrami. Oryginalność ich pomysłu polega na wypełnieniu wnęki materiałem ciekłokrystalicznym, spełniającym rolę ośrodka optycznego. W trakcie badań naukowcy z UW stwierdzili unikatowe właściwości i zachowania fotonów uwięzionych we wnęce. Podczas sterowania anizotropią optyczną materiału ciekłokrystalicznego zachowywały się one tak jak kwazicząstki obdarzone masą i momentem magnetycznym.

Nowe szanse dla nauki i techniki

Odkrycie nowych zjawisk towarzyszących uwięzieniu światła w anizotropowych optycznie wnękach umożliwi realizację nowych urządzeń optoelektronicznych np. optycznych sieci neuronowych, a także wykonywanie obliczeń neuromorficznych. Istnieje perspektywa wytworzenia we wnękach unikalnego kwantowego stanu materii – tzw. kondensatu Bosego Einsteina. Będzie go można zastosować do obliczeń i symulacji kwantowych, czyli rozwiązywania problemów, które są zbyt czasochłonne dla współczesnych komputerów.

Wspólne odkrycie

Pracę badawczą wykonali studenci inżynierii nanostruktur na Wydziale Fizyki UW: mgr Katarzyna Rechcińska, mgr Mateusz Król, mgr Rafał Mirek i mgr Karolina Łempicka, pracujący w nowym Laboratorium Polarytonowym UW, pod kierunkiem dr hab. Barbary Piętki i dr. hab. Jacka Szczytko. Wnęka optyczna została wykonana na Wydziale Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej (WAT) przez dr. Rafała Mazura i dr. Przemysława Morawiaka, pracujących w zespole dr. hab. inż. Wiktora Piecka, prof. WAT. Materiał ciekłokrystaliczny został opracowany i zsyntetyzowany w grupie chemików, kierowanej przez dr. hab. inż. Przemysława Kulę, prof. WAT. Opis teoretyczny obserwowanych zjawisk był możliwy dzięki współpracy z prof. dr. hab. Witoldem Bardyszewskim z Wydziału Fizyki UW i dr. hab. Michałem Matuszewskim z Instytutu Fizyki PAN. Zespołowi pomagał prof. Pavlos Lagoudakis, pracujący na Uniwersytecie w Southampton i Instytucie Skolkovo pod Moskwą.

Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki, Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Ministerstwo Obrony Narodowej.