Nová technologie „optických tornád“ může změnit kvantovou komunikaci

Foto: Marcin Muszyński

Úvod do technologie optických tornád

Vědci z Fakulty fyziky Univerzity ve Varšavě, Vojenské technické univerzity a Institutu Pascal CNRS na Université Clermont Auvergne vytvořili miniaturní „optická tornáda“ — vířící paprsky světla, které se točí jako miniaturní víry. Tento průlom naznačuje nový způsob vytváření miniaturních světelných zdrojů s komplexními tvary, což by mohlo podpořit jednodušší a škálovatelnější fotonické zařízení pro optickou komunikaci a kvantové technologie.

Autor původního článku: redakce

Jak fungují optická tornáda

„Naše řešení kombinuje několik oblastí fyziky, od kvantové mechaniky, přes materiálové inženýrství, až po optiku a fyziku pevných látek,“ vysvětluje profesor Jacek Szczytko z Fakulty fyziky Univerzity ve Varšavě, vedoucí výzkumné skupiny. Inspirace přišla ze systémů známých z atomové fyziky, kde elektrony mohou zaujímat různé energetické stavy. V oblasti fotoniky podobnou roli hrají optické pasti, které zadržují světlo místo elektronů.

Využití tekutých krystalů

Tým zvolil jinou strategii. Místo budování složitých systémů použili tekutý krystal, materiál s vlastnostmi mezi kapalinou a pevným tělesem. I když může téct jako kapalina, jeho molekuly se uspořádávají v pevném směru a relativních pozicích, podobně jako v krystalu,“ vysvětluje Joanna Mędrzycka, studentka nanotechnologie na Fakultě fyziky Univerzity ve Varšavě, která spolu s Dr. Evou Oton z Vojenské technické univerzity připravila vzorky tekutých krystalů.

Uvnitř tohoto materiálu se mohou tvořit speciální defekty známé jako torony. „Lze si je představit jako těsně stočené spirály, podobné DNA, podél kterých jsou uspořádány molekuly tekutého krystalu. Pokud je taková spirála uzavřena spojením jejích konců do kruhu připomínajícího koblihu, získáme toron,“ vysvětluje Mędrzycka. Tyto struktury fungují jako mikroskopické pasti pro světlo. Klíčovým krokem bylo vytvoření ekvivalentu magnetického pole pro fotony. I když světlo nereaguje na magnetické pole jako elektrony, podobné chování lze pro světlo dosáhnout jinými prostředky.

Syntetické magnetické pole pro světlo

„Prostorově proměnlivá dvojlomnost, tedy rozdíl v šíření různých polarizací světla, působí jako syntetické magnetické pole,“ vysvětluje Dr. Piotr Kapuściński z Fakulty fyziky Univerzity ve Varšavě. „Nazýváme to ‚syntetické‘, protože jeho matematický popis připomíná chování magnetického pole, i když fyzicky tam není. Výsledkem je, že světlo začíná ‚ohýbat‘, podobně jako elektrony pohybující se v cyklotronových drahách.“

Aby se efekt zesílil, byl toron umístěn do optické mikrodutiny, struktury tvořené zrcadly, která opakovaně odráží světlo a udržuje ho uvnitř po delší dobu. „To činí pole mnohem silnějším,“ říká Dr. Muszyński. „Navíc můžeme řídit velikost pasti a tím i vlastnosti světla pomocí vnějšího elektrického napětí.“

Stabilní světelné víry v základním stavu

Nejpozoruhodnější výsledek přišel poté. „V typických systémech se světlo nesoucí orbitální moment hybnosti objevuje ve vzrušených stavech,“ vysvětluje profesor Guillaume Malpuech z Université Clermont Auvergne a CNRS, který spolu s profesorem Dmitry Solnyshkovem a postdoktorandem Daniilem Bobylevem vyvinul teoretický model tohoto jevu. „Poprvé se nám podařilo dosáhnout tohoto efektu v základním stavu, tj. v nejnižším energetickém stavu. To je významné, protože základní stav je nejstabilnější a nejjednodušší pro akumulaci energie.“

„To činí dosažení laserování mnohem jednodušším,“ zdůrazňuje profesor Szczytko. „Světlo přirozeně ‚volí‘ tento stav, protože je spojen s nejnižšími ztrátami.“ Aby to potvrdili, vědci do systému zavedli laserové barvivo. „Získali jsme světlo, které se nejen otáčí, ale také se chová jako laserové světlo: je koherentní a má dobře definovanou energii a směr emise,“ říká Dr. Marcin Muszyński.

Budoucnost fotonických a kvantových technologií

„Je zajímavé, že náš přístup čerpá inspiraci z velmi pokročilých teorií zahrnujících takzvaný vektorový náboj,“ dodává profesor Dmitry Solnyshkov. „Takže jsme vlastně dokázali přimět fotony chovat se nejen jako elektrony, ale jako kvarky, nabité částice, které tvoří protony.“ Tento objev otevírá novou cestu pro vytváření miniaturních světelných zdrojů s komplexními strukturami. „Ukazuje, že místo spoléhání se na složitou nanotechnologii můžeme použít samoorganizující se materiály,“ uzavírá profesor Wiktor Piecek z Vojenské technické univerzity. „V budoucnu to může umožnit jednodušší a škálovatelnější fotonická zařízení, například pro optickou komunikaci nebo kvantové technologie.“