TWOJA PRZEGLĄDARKA JEST NIEAKTUALNA.
Wykryliśmy, że używasz nieaktualnej przeglądarki, przez co nasz serwis może dla Ciebie działać niepoprawnie. Zalecamy aktualizację lub przejście na inną przeglądarkę.
Wyniki badań dr. inż. Macieja Pieczarki i doktorantki Dąbrówki Biegańskiej, powstałe we współpracy z międzynarodowym zespołem naukowców, ukazały się w dwóch prestiżowych czasopismach. Physical Review Letters i Science Advances zamieściły ich prace na temat nietypowych właściwości kwazicząstek.
Polarytony ekscytonowe to rodzaj kwazicząstek. Powstają one w wyniku silnego oddziaływania światła spułapkowanego w laserze wraz ze wzbudzeniami materiału aktywnego lasera, czyli ekscytonami.
– W ten sposób tworzą się "nowe" cząstki, które mają właściwości obu składników. Od światła (czyli fotonów) dziedziczą bardzo małą masę i krótki czas życia, a dzięki pochodzeniu od materii (czyli ekscytonów) mogą ze sobą oddziaływać, czyli się zderzać – tłumaczy dr Maciej Pieczarka z Katedry Fizyki Doświadczalnej na PWr.
Niezwyczajne lasery
Wraz z Dąbrówką Biegańską prowadzą zaawansowane badania nad ich właściwościami. – Lasery, które badamy, na pierwszy rzut oka wyglądają zwyczajnie, ale wcale takie nie są. Tu światło oddziałuje z materią bardzo silnie i tworzy w ten sposób nowe cząstki, które są hybrydą pomiędzy fotonami (cząstkami światła) oraz ekscytonami (cząstkami w materiale aktywnym, półprzewodniku) – wyjaśnia dr Pieczarka.
Dąbrówka Biegańska jest w trakcie pisania doktoratu, w ramach którego odbyła już staż na Uniwersytecie w Sheffield w Wielkiej Brytanii, na Australian National University, a obecnie przebywa we Włoszech, gdzie pracuje w grupie Advanced Photonics Lab przy Institute of Nanotechnology CNR-NANOTEC w Lecce.
– Zajmuję się kondensatami polarytonów ekscytonowych, czyli supercieczą z kwazicząstek, które są częściowo światłem a częściowo materią, zatem mają bardzo unikalne własności wynikające z połączenia ich obu – wyjaśnia badaczka.
Dodaje, że dzięki temu, że częściowo są światłem, eksperymenty optyczne umożliwiają poznanie ich własności.
W Australii zdążyła przeprowadzić potrzebne do publikacji doświadczenia tuż przed wybuchem pandemii koronawirusa, przymusowy lockdown zatrzymał ją w tym kraju dłużej niż przewidywał 4-miesięczny staż.
Silniej niż fotony
– Przyglądałam się głównie spinom, czyli momentom magnetycznym cząstek, które można zbadać za pomocą polaryzacji światła. Dzięki temu, że polarytony są częściowo materią, ich natura jest dużo bardziej złożona i bogata, możemy na nie wpływać zewnętrznymi polami, np. polem magnetycznym. Co więcej, oddziałują one ze sobą dużo silniej niż fotony – tłumaczy Dąbrówka Biegańska. – I właśnie wyznaczanie tych oddziaływań było jednym z istotnych wyników naszej pracy opublikowanej w Physical Review Letters – dodaje.
Naukowcy potrafią opisać właściwości polaryzacyjne wnęki laserowej oraz materiału aktywnego za pomocą pola magnetycznego, które realnie nie istnieje. – Jest to tzw. "syntetyczne" albo po prostu "sztuczne" pole magnetyczne. I te cząstki czują to pole magnetyczne i zachowują się zgodnie z nim – wyjaśnia dr Pieczarka.
Utworzyli z polarytonów kondensat Bosego-Einsteina (często nazywany kolejnym stanem skupienia materii) i zbadali po raz pierwszy wpływ tego sztucznego pola magnetycznego na wzbudzenia w kondensacie, czyli na "drobne fale" na jego powierzchni. – Udało nam się udowodnić przewidywania teoretyczne, co daje perspektywę obserwacji bardziej skomplikowanych efektów wywołanych przez ten sztuczny magnes – dodaje naukowiec.
Urządzenia fotoniczne nowego typu
Publikacja w Science Advances dotyczyła badania podobnego układu, ale bez kondensatu. W mikrownęce zastosowano materiał perowskitowy. – To obecnie bardzo „modne” materiały, z uwagi na ich wyjątkowe właściwości, które są wykorzystywane w najnowocześniejszej generacji ogniw fotowoltaicznych – mówi dr Pieczarka.
Wyjaśnia, że dodatkowa właściwość perowskitów, tzw. dwójłomność optyczna, wzmocniła te wbudowane pole magnetyczne w badanej próbce. Z kolei polarytony miały bardzo krótki czas życia.
– Gdy cząstki żyją krótko, można je opisać za pomocą energii w domenie liczb zespolonych, gdzie część rzeczywista odpowiada realnej energii a część urojona, czasowi życia cząstki, czyli stratom w układzie. Gdy konieczne jest uwzględnienie części urojonej, to wtedy taki układ nazywa się niehermitowskim – tłumaczy fizyk z W11.
Naukowcy z PWr brali udział w pomiarach tych zespolonych energii i wynikających z nich właściwości spinów polarytonów. Wraz z międzynarodowym zespołem badawczym z Australian National University oraz Nanyang Technological University wyznaczyli po raz pierwszy bezpośrednio tzw. niehermitowski niezmiennik topologiczny, który opisuje topologiczne właściwości pasm energetycznych w tym układzie.
– Zgłębienie zagadnienia supercieczy i nowoczesnej topologii może pozwolić na skonstruowanie laserów i urządzeń fotonicznych nowego typu. Takich, w których będzie można kontrolować bezstratnie przepływ sygnału i będzie się on odbywał przy małym poborze mocy. Wszelkie niedoskonałości w procesie wytwarzania nie wpłynął na jakość i emisję urządzenia – dodają naukowcy z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr.
Iwona Szajner
Więcej o badaniach dr. Macieja Pieczarki:
