Вчені створили керовані фотонні кристали з рідких кристалів

Міжнародна команда дослідників з Варшавського університету, Військово-технічного університету та Інституту Паскаля Університету Клермон-Овернь розробила революційний метод використання холестеричних рідких кристалів в оптичних мікропорожнинах. Створена платформа дозволяє формувати та динамічно налаштовувати фотонні кристали з інтегрованою спін-орбітальною взаємодією та контрольованим лазерним випромінюванням. Результати дослідження опубліковані в журналі Laser & Photonics Reviews.

Професор Яцек Щитко з факультету фізики Варшавського університету пояснює принцип роботи нової системи: «Однорідна лежача спіральна структура холестеричної фази рідкого кристала розташовується в оптичній порожнині. Самоорганізована спіральна структура з віссю, що лежить у площині порожнини, діє як одновимірна періодична фотонна решітка. Це можливо завдяки унікальним властивостям рідких кристалів, які є витягнутими молекулами, схожими на олівець».

Холестерична структура являє собою спіральну конструкцію, складену з шарів майже паралельно орієнтованих молекул, що лежать в одній площині. Від шару до шару орієнтація молекул м'яко скручується, що в цілому формує спіральну структуру, яка нагадує спіралі ДНК або макарони «фузіллі». Напрямок, перпендикулярний до шарів молекул, визначає вісь утвореної спіралі.

Коли така структура спостерігається в напрямку, перпендикулярному до осі спіралі при відповідному освітленні, помітні чіткі смуги з шириною, рівною кроку спіралі. Використання рідких кристалів, які реагують на електричне поле, дозволяє точно контролювати цей крок і таким чином структуру фотонних смуг, відкриваючи нові перспективи в фотонній інженерії.

Описані ефекти стають можливими завдяки використанню оптичної мікропорожнини, яка обмежує рух світла в одному вимірі, надаючи йому властивості, подібні до частинок з масою. У порожнині фотони, які не мають маси спокою, починають поводитися як масивні частинки. Додавання фотонного потенціалу в просторі з заданим періодом, пов'язаним зі стрибком спіралі, розширює цю аналогію та дозволяє подальше маніпулювання цими властивостями.

Професор Щитко додає: «Мета нашого дослідження полягає в тому, щоб з'ясувати, як світло може набувати властивості, які зазвичай приписуються речовині, зберігаючи при цьому свої унікальні характеристики. У нашій групі, використовуючи оптичні мікропорожнини з рідких кристалів, виготовлені у співпраці з командою Військово-технічного університету, ми вивчаємо оптичні аналоги ефектів, раніше відомих з фізики твердого тіла».

Оптичні мікропорожнини були виготовлені дослідниками з Військово-технічного університету в групі професора Віктора П'єцека, використовуючи спіральні структури, створені професором Євою Отон у порожнинах, виготовлених доктором Пшемиславом Моравяком та доктором Рафалом Мазуром.

Професор П'єцек підкреслює складність завдання: «Розробка відповідної рідкокристалічної суміші та умов, які дозволяють формування добре впорядкованої однорідної спіралі на великій площі оптичної порожнини, є складним викликом у матеріаловій інженерії та рідкокристалічній технології. Наша команда має багаторічний досвід контролю самоорганізованих структур рідких кристалів».

Марцін Мушинський, перший автор статті та докторант факультету фізики університету, пояснює переваги нового підходу: «Протягом років вчені розробляють нано- та мікроструктури, які модулюють властивості світла, що взаємодіє з ними. Фотонні кристали — повторювані структури з періодами, порівнянними з довжиною хвилі світла, які призводять до формування зонних структур та заборонених зон, що перешкоджають фотонам з певними енергіями, подібно до того, що відбувається з електронами в напівпровідниках — становлять особливий інтерес».

Однак типові технології виробництва фотонних кристалів мають декілька недоліків: їх виготовлення технологічно складне і тому дороге та трудомістке. Самі решітки обмежені за розміром, а параметри виготовлених структур, такі як період або «глибина» пастки після побудови, важко змінити.

Мушинський продовжує: «Наша робота вирішує ці проблеми — структури, створені самоорганізацією, мають площу поверхні порядку сотень квадратних мікрометрів, і завдяки переорієнтації молекул рідкого кристала в електричному полі ми можемо динамічно контролювати зонну структуру світла, захопленого в мікропорожнині. Унікальність нашої системи полягає в тому, що вона формується самоорганізацією молекул рідкого кристала, а саме середовище зберігає властивості рідини. Застосування електричної напруги дозволяє нам спостерігати в реальному часі за допомогою камери, як розвивається структура, зберігаючи при цьому періодичний порядок».

Пшемислав Оліва, другий автор статті та аспірант факультету фізики Варшавського університету, описує ключові властивості системи: «Молекули рідкого кристала мають форму еліпсоїда, витягнутого в одному напрямку. Ця характерна особливість призводить до формування великого подвійного заломлення, що є вирішальним для проведених досліджень. Це дозволяє світлу різних поляризацій по-різному взаємодіяти з решіткою, створюючи незалежні енергетичні смуги. Ми спостерігали, що введення нахилу молекул відносно осі спіралі призводить до взаємодії між деякими енергетичними підсмугами для двох решіток. Ми назвали цей ефект міжзонною спін-орбітальною взаємодією».

Інтерпретацію та точний теоретичний опис цього ефекту запропонували професор Гійом Мальпуех та професор Дмитро Солішков, дослідники з Інституту Паскаля Університету Клермон-Овернь у Франції, які співпрацюють з командою.

Доктор Петро Капущинський з факультету фізики Варшавського університету, співавтор статті, розповідає про практичні застосування: «Базуючись на нашому досвіді попередніх робіт, ми також ввели органічний барвник у цю періодичну структуру рідкого кристала. Ця нова система дозволила нам спостерігати лазерну генерацію з двох станів з різними енергіями, тобто подвійну лазерну генерацію. Крім того, завдяки існуванню спін-орбітальної взаємодії між смугами в періодичній структурі, ми спостерігали лазерну генерацію як у лінійній, так і в круговій поляризації. Ці останні результати показують, що наше дослідження є як фундаментальним, так і прикладним».

Професор Щитко підсумовує значення роботи: «Наші результати відкривають двері для застосувань у топологічній фотоніці та сучасних лазерних технологіях. Ми показуємо нові можливості поєднання ефектів спін-орбітальної взаємодії з періодичними фотонними структурами та вказуємо напрямки для подальших досліджень таких явищ, як топологічні фазові переходи, модель Су-Шрифера-Хігера або неабелеві поля особливостей».

Дослідження демонструє потужний потенціал самоорганізованих рідкокристалічних структур для створення нового покоління керованих фотонних пристроїв. Можливість динамічного контролю параметрів фотонних кристалів за допомогою електричного поля відкриває перспективи для розробки адаптивних оптичних систем та нових типів лазерів з унікальними характеристиками поляризації.