Czy światło może zachowywać się jak wir powietrza? Na to pytanie odpowiedzieli  naukowcy z Wydziału Fizyki UW, Wojskowej Akademii Technicznej oraz Institut Pascal CNRS przy Université Clermont Auvergne. Badacze wytworzyli „optyczne tornada” w niezwykle małej strukturze. Odkrycie otwiera nową drogę do tworzenia miniaturowych źródeł światła o złożonej strukturze, umożliwiając w przyszłości budowę prostszych i bardziej skalowalnych urządzeń fotonicznych, np. do komunikacji optycznej czy technologii kwantowych.

– Nasze rozwiązanie łączy kilka dziedzin fizyki: od mechaniki kwantowej, przez inżynierię materiałową, po optykę i fizykę ciała stałego – wyjaśnia prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW, lider grupy badawczej.

Inspiracją były układy znane z atomów, gdzie elektrony mogą zajmować różne stany energetyczne. W fotonice podobną funkcję pełnią pułapki optyczne, które zamiast elektronów więżą światło.

– Można to sobie wyobrazić jako optyczny wir – mówi dr Marcin Muszyński z Wydziału Fizyki UW oraz City College of New York, pierwszy autor badań, dodając: – Fala świetlna skręca wokół swojej osi, a jej faza zmienia się spiralnie. Co więcej, nawet polaryzacja, czyli kierunek drgań pola elektrycznego, zaczyna rotować.

Jak wskazują badacze, takie struktury światła są bardzo obiecujące – mogą znaleźć zastosowanie m.in. w komunikacji kwantowej czy manipulowaniu mikroskopijnymi obiektami. Problem polega jednak na tym, że ich wytwarzanie zwykle wymaga skomplikowanych nanostruktur lub dużych układów eksperymentalnych.

– Zamiast budować złożone układy, wykorzystaliśmy ciekły kryształ, czyli materiał o właściwościach pośrednich między cieczą a ciałem stałym. Choć można go przelewać jak ciecz, jego cząsteczki układają się w uporządkowany sposób, zachowując kierunek i wzajemne położenie, podobnie jak w krysztale – mówi inż. Joanna Mędrzycka, studentka nanoinżynierii na Wydziale Fizyki UW, która wraz z dr Evą Oton z Wojskowej Akademii Technicznej przygotowała próbki ciekłokrystaliczne.

Torony

W takiej strukturze można wywołać defekty zwane toronami.

– Można je sobie wyobrazić jako ciasno skręconą spiralę – podobną do DNA – wzdłuż której układają się cząsteczki ciekłego kryształu. Jeśli taką spiralę zamkniemy, łącząc jej końce w pierścień przypominający pączek, otrzymamy właśnie toron – wyjaśnia Joanna Mędrzycka i dodaje: – Struktury te działają jak mikroskopijne pułapki dla światła. Kluczowym krokiem było stworzenie dla fotonów odpowiednika pola magnetycznego. Choć światło nie reaguje na pole magnetyczne tak jak elektrony, możliwe jest odtworzenie jego efektu innymi metodami.

– Zmienna w przestrzeni dwójłomność, czyli różnica w propagacji różnych polaryzacji światła, działa jak syntetyczne pole magnetyczne – tłumaczy dr Piotr Kapuściński z Wydziału Fizyki UW. – Nazywamy je „syntetycznym”, ponieważ jego matematyczny opis przypomina działanie pola magnetycznego, choć fizycznie go tam nie ma. W efekcie światło zaczyna „zakręcać”, podobnie jak elektrony poruszające się po orbitach cyklotronowych.

Aby wzmocnić to zjawisko, toron umieszczono w mikrownęce optycznej – strukturze złożonej z luster, w której światło wielokrotnie się odbija i pozostaje uwięzione przez dłuższy czas.

– Dzięki temu pole działa znacznie silniej – mówi dr Muszyński. – Dodatkowo możemy kontrolować rozmiar pułapki, a więc i właściwości światła, za pomocą zewnętrznego napięcia elektrycznego – dodaje naukowiec.

– W typowych układach światło z orbitalnym momentem pędu pojawia się w stanach wzbudzonych. Nam po raz pierwszy udało się uzyskać taki efekt w stanie podstawowym, czyli najniższym energetycznie. To istotne, ponieważ stan podstawowy jest najbardziej stabilny i najłatwiej się w nim gromadzi energia – wyjaśnia prof. Guillaume Malpuech z Université Clermont Auvergne i CNRS, który wraz z prof. Dmitryjem Solnyshkovem i Daniilem Bobylevem opracowali model teoretyczny zjawiska.– Dzięki temu znacznie łatwiej uzyskać laserowanie. Światło naturalnie „wybiera” ten stan, ponieważ wiąże się on z najmniejszymi stratami – podkreśla prof. Szczytko.

Aby to potwierdzić, badacze dodali do układu barwnik laserowy.

– Otrzymaliśmy światło, które nie tylko wiruje, ale także zachowuje się jak światło laserowe: jest spójne, ma dobrze określoną energię i kierunek emisji – mówi dr Marcin Muszyński.

– Co ciekawe, nasze podejście czerpie inspirację z bardzo zaawansowanych teorii dotyczących tak zwanego ładunku wektorowego. W pewnym sensie udało nam się sprawić, że fotony zachowują się już nawet nie jak elektrony, ale jak kwarki, naładowane cząstki, z których składają się protony – dodaje prof. Dmitry Solnyshkov.

Miniaturowe źródła światła

Odkrycie otwiera nową drogę do tworzenia miniaturowych źródeł światła o złożonej strukturze.

– To pokazuje, że zamiast skomplikowanej nanotechnologii można wykorzystać materiały samoorganizujące się. W przyszłości może to umożliwić budowę prostszych i bardziej skalowalnych urządzeń fotonicznych, na przykład do komunikacji optycznej czy technologii kwantowych – podsumowuje prof. Wiktor Piecek.