Wyniki badań Zespołu Fotoniki z Instytutu Fizyki na Wydziale FTIMS zostały opublikowane w "Nature Photonics" oraz "Nature Materials".
- Jesteśmy dopiero na początku rozwoju optoelektroniki opartej na nowych typach półprzewodników, urządzeń oraz zjawisk w nich zachodzących. Przed nami wciąż wiele fascynujących problemów do rozwiązania
– mówi prof. Tomasz Czyszanowski, który na co dzień współpracuje z wybitnymi naukowcami z całego świata.
Publikacja w „Nature Photonics”
Praca zatytułowana „Bose-Einstein condensation of photons in a vertical-cavity surface-emitting laser” powstała we współpracy z dr. hab. Maciejem Pieczarką pomysłodawcą projektu oraz Aleksandrą Piasecką z Politechniki Wrocławskiej, którzy przeprowadzili badania eksperymentalne opisane w pracy. Istotny był również udział naukowców z Politechniki Łódzkiej.
Dr Marcin Gębski wspólnie z prof. Jamesem Lottem z Technische Universität w Berlinie wykonali lasery, na których przeprowadzano badania. Z kolei dr hab. Michał Wasiak, prof. PŁ, oraz prof. Axel Pelster z Technische Universität Kaiserslautern-Landau wspierali zespół w teoretycznej analizie wyników eksperymentalnych, natomiast prof. Tomasz Czyszanowski wykonał symulacje komputerowe, które interpretowały wyniki eksperymentu.
Jakie ciekawe wnioski opublikowali naukowcy?
- Publikacja w „Nature Photonics” pokazuje, że fotony generowane w laserze nieznacznie różniącym się od relatywnie konwencjonalnego lasera półprzewodnikowego, takiego jaki stosowany jest w telekomunikacji czy systemach LIDAR, zachowują się jak gaz nieoddziałujących cząstek, który można doprowadzić do stanu kondensacji Bosego-Einsteina. Nikomu przed nami nie udało się dowieść, że takie zjawisko jest możliwe w laserze półprzewodnikowym zasilanym energią elektryczną i działającym w temperaturze pokojowej – mówi prof. Czyszanowski. Dotychczasowe eksperymenty pozwalały na obserwację tego zjawiska jedynie w skomplikowanych układach optycznych, zbudowanych na dużych stołach optycznych, a nie w laserze, który można umieścić na czubku igły.
Prof. PŁ Michał Wasiak w laboratorium Zespołu Fotoniki
foto: Marcin Szmidt
W prowadzonych badaniach naukowcy dostrzegli kluczowe właściwości fotonów emitowanych przez takie lasery, co wyjaśniają prof. Czyszanowski i prof. Wasiak:
– Wyobraźmy sobie, że fotony w laserze wypełniają szczeble drabiny, gdzie każdy szczebel odpowiada dozwolonej energii fotonów. W laserach półprzewodnikowych, którymi się zajmujemy, fotony rozkładają się nierównomiernie na tych szczeblach, może się wydawać, że w sposób chaotyczny. Ich liczba na poszczególnych szczeblach zmienia się również nieregularnie w zależności od prądu zasilającego laser. W rezultacie zmiana prądu wpływa między innymi na zmiany przekroju wiązki emitowanej przez laser. Niestabilności przekroju wiązki są zwykle przeszkodą w zastosowaniach laserów. Jednak gdy fotony zachowują się jak kondensat Bosego-Einsteina, ogromna większość z nich zasiedla najniższy szczebel drabiny, co sprawia, że emitowana wiązka staje się bardzo stabilna. Osiągnięcie tego zjawiska było możliwe dzięki zaprojektowaniu lasera, w którym uzyskano odpowiednią różnicę między energią przejść elektron-dziura a energią najniższego szczebla drabiny.
Gdzie mogą znaleźć zastosowanie nowe zasady działania laserów półprzewodnikowych?
Dobre pytanie – odpowiada prof. Wasiak. - Doniesienia o uzyskaniu fotonowych koncentratów Bosego-Einsteina pojawiły się stosunkowo niedawno, więc na razie sam fakt ich istnienia jest ekscytujący. Przekonany jestem, że pojawią się zastosowania, o których jeszcze nikt nie myśli, a to, że możemy uzyskiwać takie kondensaty w laserach półprzewodnikowych, w zasadzie niczym nie różniących się od milionów podobnych laserów stosowanych w telekomunikacji, w telefonach komórkowych i wielu innych urządzeniach, które nas otaczają, ułatwi znakomicie zarówno znajdowanie pomysłów jak i ich realizację.
- Kondensat Bosego-Einsteina nie spowoduje większej efektywności laserów – dodaje prof. Czyszanowski – oprócz stabilizacji emisji laserowej może okazać się interesujący, gdy chcemy wykorzystać jego specyficzne własności, jak na przykład gromadzenie się fotonów na najniższych poziomie energetycznym, co może pełnić rolę swoistej bramki logicznej lub być odzwierciedleniem zachowania układów kwantowych w znacznie większej i łatwiejszej do obserwacji skali.
Prof. Tomasz Czyszanowski, współautor dwóch artykułów w "Nature"
foto: Marcin Szmidt
Publikacja w „Nature Materials”
Z kolei praca „Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing” opublikowana w „Nature Materials” powstała przy współpracy naukowców z Polski, Włoch, Islandii oraz Australii. Główną rolę w powstaniu tej publikacji odegrali: prof. Barbara Piętka, doktorant Mateusz Kędziora i dr Andrzej Opala z Uniwersytetu Warszawskiego.
- Dokonali oni syntezy warstw perowskitów, tworząc z nich struktury analogiczne do optycznych układów scalonych, demonstrując eksperymentalnie jednoczesną możliwość wzbudzenia akcji laserowej oraz propagacji światła w tych strukturach. Przeprowadzili także bardzo elegancką interpretację teoretyczną uzyskanych wyników eksperymentalnych - wyjaśnia współautor publikacji prof. Tomasz Czyszanowski, który przy wykorzystaniu symulacji numerycznych analizował możliwość zaistnienia akcji laserowej oraz prowadził obliczenia modów falowodowych obserwowanych w eksperymencie.
Jak twierdzą fizycy, nowa technologia uzyskiwania kryształów perowskitowych to przyszłość zintegrowanej fotoniki. Naukowcy, opracowując innowacyjną technologię ich produkcji otworzyli tym samym drogę do przełomowych zastosowań w fotonice.
