TopoLight to projekt nagrodzony w międzynarodowym konkursie Europejskiej Rady ds. Innowacji (EIC) FET-Open. Realizuje go pięć ośrodków naukowych. We wrześniu funkcję koordynatora konsorcjum przejmie Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Ciekłokrystaliczne urządzenia optyczne, które będą wykorzystywały nieliniowe topologiczne stany światła, to cel badań naukowców zaangażowanych w projekt TopoLight. Będzie go realizowało pięć europejskich ośrodków: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, IBM Zurich (Szwajcaria), University of Southampton (Wielka Brytania), Institut Pascal CNRS (Francja) oraz Wojskowa Akademia Techniczna (Polska).

Wydział Fizyki UW zostanie we wrześniu koordynatorem tego konsorcjum. 

– Chcemy stworzyć urządzenia wykorzystujące działanie kondensatów Bosego-Einsteina – nie będą to jednak kondensaty atomowe wymagające temperatur kriogenicznych, ale działające w temperaturze pokojowej, tzw. kondensaty polarytonów ekscytonowych. Są to kwazicząstki, które powstają dzięki sprzężeniu światła i materii. Dzięki ciekłym kryształom, które są elementem naszego rozwiązania, możemy kontrolować komponent fotonowy kondensatu, a tym samym zmieniać kondensat, który dodatkowo otrzyma ochronę topologiczną – np. będzie mógł się rozpraszać tylko w jednym kierunku, opływając przeszkody dookoła. W pewien sposób naśladujemy tu zjawiska znane z fizyki ciała stałego i elektroniki. Co więcej, kondensaty są obiektami kwantowymi, a manipulacja nimi jest kluczowa dla zastosowań w obliczeniach kwantowych, kwantowych sieciach neuromorficznych i metrologii – mówi dr hab. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW, koordynator projektu.

Założenia projektu TopoLight:

• zaprojektowanie, wykonanie i zbadanie struktur fotonicznych mających na celu opracowanie innowacyjnego, zintegrowanego hybrydowego układu organiczno-ciekłokrystalicznego do kontroli kondensatu Bosego-Einsteina w temperaturze pokojowej,
• opracowanie metod emisji i kontroli światła ze stanów kondensatu chronionych topologicznie: jednokierunkowej emisji światła odpornej na rozproszenia wstecz i stany wirowe przenoszące skwantowany moment pędu światła. 
• wykorzystanie silnych nieliniowości obserwowanych w organicznych mikrownękach optycznych i sprzężeniach spin-orbita we wnękach ciekłokrystalicznych. 
• prezentacja fotonowych przełączników polaryzacji umożliwiających logikę trójwartościową.

 

Zaproponowana platforma mikrownęk optycznych łączy w sobie wysoką emisyjność z łatwością wytwarzania, niskimi kosztami oraz skalowalnością i działaniem w temperaturze pokojowej. 

Ciekłe kryształy i światło jak elektrony

Światło ciekłokrystalicznych urządzeniach optycznych wykorzystujących nieliniowe topologiczne stany światła będzie w pewnym sensie zachowywało się jak elektrony – czyli cząstki masywne podlegające działaniom zewnętrznych pól. W serii artykułów opublikowanych m.in. na łamach „Science”, a także czasopisma „Optica”, naukowcy pokazali, że uwięzione w specjalnych wnękach optycznych fotony zachowują się jak namagnesowane cząstki (cząstki ze spinem). Zazwyczaj fotony nie oddziałują ze sobą, ale gdy zostaną silnie sprzężone ze wzbudzeniami emitera, mogą stać się podstawą urządzeń, których działanie będzie przypominało urządzenia elektroniczne, z tym że nośnikiem informacji będą specjalne kwazicząstki, tzw. polarytony, czyli coś w rodzaju masywnych i namagnesowanych fotonów.

Ciekłe kryształy (ang. Liquid Crystals, LC) to zaawansowane materiały znane z anizotropowych właściwości optycznych. Materiały te pozwalają kontrolować polaryzację światła i są wykorzystywane w różnego typu urządzeniach optycznych, np. wyświetlaczach LCD i modulatorach fazy SLM. Zespół TopoLight zamierza rozszerzyć zastosowania ciekłych kryształów poprzez ich wykorzystanie w nowatorskich urządzeniach służących do kontroli topologicznych właściwości światła. Projekt TopoLight będzie zajmować się przede wszystkim nieliniowymi efektami w kondensatach Bosego-Einsteina (Bose-Einstein Condensates, BEC) w temperaturze pokojowej i tzw. stanami topologicznymi, które będą emitowały lub prowadziły światło. Badania będą dążyły do opracowania skutecznej zewnętrznej kontroli pola elektrycznego, tzw. oddziaływania spin-orbita światła za pomocą tzw. syntetycznych pól magnetycznych działających na fotony, co w fotonice do tej pory nie było realizowane. Dzięki dwóm głównym podejściom technologicznym: wywodzącym się z fizyki ciała stałego i rozwijającym kontrolę molekularną urządzeń ciekłokrystalicznych, zespół naukowców chce zademonstrować nowatorskie systemy przestrajalnych emiterów topologicznych opartych na BEC w temperaturze pokojowej, które są ważne z punktu widzenia topologicznej fotoniki i kodowania informacji.