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.
Międzynarodowy zespół dr. hab. inż. Macieja Pieczarki, prof. uczelni z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki, otrzymał tegoroczną nagrodę Tesla Prize. Naukowcy wykazali, że niezwykły stan materii – kondensat Bosego–Einsteina – może powstawać w standardowych laserach półprzewodnikowych stosowanych m.in. w telekomunikacji.
W trzeciej edycji konkursu kapituła, pod przewodnictwem prof. Pawła Hawrylaka (University of Ottawa), zdecydowała o nagrodzeniu projektu „Kondensacja Bosego-Einsteina fotonów w laserach półprzewodnikowych typu VCSEL – odkrycie nowego trybu działania urządzeń laserowych” zespołu naukowego dr. hab. inż. Macieja Pieczarki, prof. uczelni z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki.
W skład międzynarodowego zespołu, który opracował to wybitne osiągnięcie wchodzą: mgr inż. Aleksandra Bojakowska (Wydział Podstawowych Problemów Techniki), dr inż. Marcin Gębski (Politechnika Łódzka), prof.James A. Lott (Technical University of Berlin), dr hab. Axel Pelster, (RPTU University Kaiserslautern-Landau), dr hab. inż. Michał Wasiak, prof. uczelni (Politechnika Łódzka) oraz prof. Tomasz Czyszanowski (Politechnika Łódzka).
Sponsorem nagrody jest KGHM Polska Miedź.
Lasery w nowym świetle: odkrycie nowego trybu pracy
Jak podkreśliło jury nagrody, nagrodzone badania dotyczą obserwacji kondensacji Bosego–Einsteina fotonów w laserze z pionową wnęką półprzewodnikową o emisji powierzchniowej, czyli VCSEL. To wyjątkowe osiągnięcie, ponieważ nie ogranicza się do eksperymentu laboratoryjnego – zostało zrealizowane w rzeczywistym urządzeniu laserowym wykorzystywanym w telekomunikacji.
Wyniki badań opublikowano w 2024 r. na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Photonics” oraz zaprezentowano na najważniejszych międzynarodowych konferencjach poświęconych fotonice.
Odkrycie to ma dużą wartość innowacyjną i realnie wspiera rozwój fizyki oraz inżynierii laserowej, wyznaczając zupełnie nowy kierunek dla technologii VCSEL.
Niezwykły stan materii w zwykłym laserze
– Nasze odkrycie dotyczy nowego sposobu uzyskania kondensatu Bosego–Einsteina, czyli niezwykłego stanu kwantowego, w którym cząstki zachowują się jak jedna makroskopowa fala – wyjaśnia prof. Maciej Pieczarka. – Choć zjawisko to przewidziano pierwotnie dla cząstek posiadających masę i występujących w ekstremalnie niskich temperaturach, fotony również mogą się skondensować, jeśli zostaną uwięzione w rezonatorze i będą odpowiednio ddziaływać z materią.
Zespół wykazał, że kondensacja fotonów może zachodzić w standardowym laserze półprzewodnikowym typu VCSEL.
– Wbrew klasycznym zasadom projektowania laserów, zbadaliśmy urządzenie ze znaczącą absorpcją światłaprzez materiał. Dzięki temu fotony wymieniały wielokrotnie energię z materiałem lasera i osiągnęły równowagę termodynamiczną, a następnie skondensowały się w podstawowym modzie lasera, spełniając warunki teorii Bosego–Einsteina – dodaje badacz.
Od teorii do praktyki: przełom o szerokim znaczeniu
Odkrycie ma charakter przełomowy, ponieważ pokazuje, że kondensacja fotonów nie jest zjawiskiem zarezerwowanym wyłącznie dla wyspecjalizowanych laboratoriów. Może ona zachodzić w powszechnie stosowanych laserach VCSEL, używanych m.in. w systemach komunikacji światłowodowej.
Badania zmieniają także klasyczne rozumienie działania laserów półprzewodnikowych. – Tradycyjnie emisja laserowa wymaga silnego wzbudzenia materiału, czyli tzw. inwersji obsadzeń – tłumaczy prof. Pieczarka. – W naszym przypadku emisja podobna do laserowej pojawił się w warunkach równowagi i przy znacznie niższych prądach, co wcześniej uznawano za niemożliwe.
Nowy typ lasera otwiera szerokie perspektywy technologiczne. Kondensat światła, mimo że generuje wiązkę laserową, charakteryzuje się specyficznym, kwantowym „szumem”, odmiennym od laserowej, spójnej emisji.
Ta cecha może znaleźć zastosowanie m.in. w obrazowaniu światłem o wysokiej intensywności, systemach LIDAR czy – co szczególnie istotne – w kwantowej generacji liczb losowych, kluczowej dla kryptografii i zaawansowanych symulacji komputerowych.
Kolejny krok: badania nad nadciekłością światła
Naukowcy planują dalsze badania nad laserami emitującymi skondensowane światło w ramach projektu OPUS LAP, realizowanego we współpracy z dr. hab. Axelem Pelsterem.
– Chcemy lepiej zrozumieć relację między temperaturą gazu fotonów a temperaturą otoczenia oraz sprawdzić, czy kondensat może wykazywać właściwości nadciekłe – zapowiada prof. Pieczarka.
Potwierdzenie nadciekłości otworzyłoby drogę do projektowania nowych, energooszczędnych urządzeń kwantowych, w których światło propagowałoby bez strat. Równolegle analizowane będą statystyki emisji fotonów pod kątem ich wykorzystania w generacji liczb losowych.
Interdyscyplinarny zespół
Projekt zainicjował prof. Maciej Pieczarka, który pozyskał finansowanie z Narodowego Centrum Nauki i zaprosił do współpracy zespół z Politechniki Łódzkiej pod kierownictwem prof. Tomasza Czyszanowskiego. Próbki do badań przygotowali dr Marcin Gębski (PŁ) oraz prof. James Lott (TU Berlin).
Łódzcy naukowcy wnieśli kluczowe kompetencje w zakresie konstrukcji i symulacji laserów VCSEL, natomiast analizę teoretyczną wyników wspierał dr hab. Axel Pelster – ekspert w dziedzinie teorii kondensacji Bosego–Einsteina.
