11.12.2019
PL EN
08.11.2019 aktualizacja 08.11.2019
Ludwika Tomala
Ludwika Tomala

Polacy w "Science" pokazali, jak fotony upodobnić do elektronów

Ilustracja pokazuje, jak energia światła zależy od kąta, pod którym światło wychodzi z wnęki optycznej opracowanej przez polski zespół (rys. Mateusz Król) Ilustracja pokazuje, jak energia światła zależy od kąta, pod którym światło wychodzi z wnęki optycznej opracowanej przez polski zespół (rys. Mateusz Król)

Fotony - niemające masy i poruszające się z prędkością światła cząstki - da się sprytnymi sztuczkami "zatrzymać" i skłonić, by zachowywały się jak zupełnie inne cząstki - posiadające masę i reagujące na pole magnetyczne elektrony. Pokazał to w publikacji w "Science" zespół Polaków.

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)

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)

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)

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

lt/ ekr/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2019