Группа ученых из Варшавского университета, Военно-технической академии и Университета Клермон-Овернь придумала, как использовать жидкие кристаллы в микрорезонаторах для управления светом.

Их метод позволяет создавать фотонные кристаллы с контролируемым излучением и спин-орбитальным взаимодействием — эффектом, который раньше наблюдали только в твердых телах.

Спин-орбитальное взаимодействие (SOC) — эффект, при котором движение частицы (например, фотона) влияет на ее внутреннее состояние (поляризацию). В данном случае свет в микрорезонаторе ведет себя как электрон в кристалле, где траектория и спин связаны.

Результаты опубликованы в издании Laser & Photonics Review.

Жидкие кристаллы в их эксперименте выстроились в спираль, напоминающую структуру ДНК или скрученные макароны.

Если посмотреть на нее под определенным углом, видны полосы — это и есть фотонная решетка, которая влияет на поведение света.

Главное преимущество в том, что структуру можно менять электрическим полем — например, растягивать или сжимать «шаг» спирали, а значит, настраивать оптические свойства системы в реальном времени.

Наша цель — заставить свет вести себя как частицы с массой, но при этом сохранить его уникальные свойства, — объясняет профессор Яцек Щитко из Варшавского университета. — В обычных условиях фотоны невесомы, но если поместить их в микрорезонатор, они начинают двигаться как электроны в кристалле.

Технологию изготовления таких резонаторов разработали в Военно-технической академии под руководством профессора Виктора Пецка.

Создать идеально упорядоченную спираль из жидких кристаллов — сложная задача, но наш опыт в управлении самоорганизующимися структурами позволил это сделать, — говорит он.

Марчин Мусзинский, аспирант и первый автор исследования, сравнивает их подход с традиционными фотонными кристаллами:

Обычно их делают методом травления — это дорого, долго, и после изготовления параметры уже не изменить. Наш кристалл собирается сам, занимает большую площадь, а его настройка занимает доли секунды.

Другой участник работы, Пшемыслав Олива, добавляет:

Молекулы жидких кристаллов похожи на вытянутые эллипсоиды. Из-за этого свет с разной поляризацией взаимодействует с решеткой по-разному. Мы наклонили ось спирали — и получили связь между энергетическими подзонами, которую назвали межзонным спин-орбитальным взаимодействием.

Французские коллеги из Университета Клермон-Овернь помогли описать этот эффект теоретически.

А когда в систему добавили органический краситель, удалось добиться двойной генерации лазера — с разными энергиями и поляризациями.

Это не просто фундаментальное открытие, — подчеркивает доктор Пётр Капущинский. — Такие системы пригодятся в топологической фотонике и лазерных технологиях.

Этот метод может упростить создание перестраиваемых лазеров и оптических сенсоров. Например:

• Лазеры с настраиваемой длиной волны — полезны в медицине (например, для точных операций) или телекоммуникациях.
• Датчики напряжения — поскольку структура реагирует на электрическое поле, ее можно использовать для визуализации распределения напряжений в микросхемах.
• Квантовые технологии — спин-орбитальное взаимодействие критично для разработки фотонных кубитов.

Пока система работает только в лабораторных условиях. Для массового применения нужно решить две проблемы:

1. Стабильность — жидкие кристаллы чувствительны к температуре и механическим воздействиям.
2. Масштабирование — хотя площадь образцов достигает сотен квадратных микрон, для промышленности нужны сантиметровые чипы.

Ранее ученые раздвинули границы фотоники.