Wytwarzanie fali „X” w mikrownęce optycznej: a) symulacja numeryczna [1], b) wytworzony stan oraz c) wykres fazy funkcji falowej pokazujący dynamikę wirów [2].
Nanooptyka jest najmłodszą gałęzią badań, którą się zajmujemy. Interesujemy się zwłaszcza polarytonami ekscytonowymi i plazmonowymi, które badamy zarówno w reżimie klasycznym jak i kwantowym. Jest to tematyka aktualnie realizowanych projektów badawczych, w których chcemy stworzyć świat technologii kwantowych opartych na połączeniu fotoniki i nanotechnologii.
Polarytony to kwazicząstki złożone z fotonów silnie sprzężonych z materią. Dzięki swoim unikalnym właściwościom pozwalają uzyskać duże nieliniowości, które są niezbędne w realizacji wielu ważnych kwantowych urządzeń. Ich świat jest dwuwymiarowy: istnieją tylko w mikrownękach optycznych lub na powierzchni nowoczesnych nanomateriałów (np. grafenu). Mogą one stać się przyszłą platformą, która zastąpi lub wesprze elektronikę i połączy ją z fotonicznymi technologiami kwantowymi. Upatruje się w nich także szansę na zwiększenie miniaturyzacji i wydajności, np. stworzenie urządzeń które będą przetwarzać terabity danych w ciągu sekundy. Grafen jako platforma technologii kwantowych może umożliwić wprowadzenie nowych, tańszych rozwiązań i dopomóc w ich upowszechnieniu.
Polarytony ekscytonowe składają się z fotonów sprzężonych z parami elektron-dziura powstającymi w półprzewodnikach. Naszym osiągnięciem jest wykazanie możliwości istnienia w tym medium zlokalizowanych paczek falowych podobnych do solitonów, czyli samopodtrzymujących się fal poruszających się bez dyspersji, oraz znalezienie warunków które są niezbędne do ich powstania [1]. Takie paczki falowe nazywane są „X waves”, ze względu na charakterystyczny kształt przypominający literę X. Nasze przewidywania teoretyczne zostały potwierdzone w eksperymencie przeprowadzonym przez Grupę Daniele Sanvitto (CNR NANOTEC, Lecce, Włochy) [2], do którego wykonaliśmy obliczenia. Pokazaliśmy jak fale „X” mogą być tworzone w mikrownęce optycznej za pomocą impulsu lasera dzięki silnym nieliniowościom występującym w tym układzie. Dzięki długiemu czasowi życia osiągającemu dziesiątki pikosekund i przebywanym odległościom rzędu dziesiątek lub setek mikrometrów, są poważną konkurencją dla standardowych nośników sygnału w półprzewodnikach (dziur i elektronów), których czas życia jest rzędu nanosekund i które mogą się przemieszczać na odległość kilku mikrometrów. Mogą one znaleźć zastosowanie np. w urządzeniach, w których sygnał powinien być transmitowany wielokanałowo bez zniekształceń np. tworząc szybkie połączenie między dwoma podzespołami procesora.
Sprzężenie światła z kwantami wspólnych oscylacji swobodnych elektronów (plazmy) prowadzi do powstania polarytonów plazmonowych. Można je wytworzyć na powierzchni wybranych nanomateriałów posiadających ujemną funkcję dielektryczną, np. płatków złota poddanych obróbce za pomocą nanolitografii. W przypadku gdy materiał jest półprzewodnikiem o fotonowej przerwie energetycznej (np. grafen), odpowiednikiem polarytonów plazmonowych są fale powierzchniowe Blocha (Rys. 1). Układy te są już obecnie wykorzystywane jako detektory, elementy fotoogniw, mikroskopów oraz nanoanteny. Dzięki układom polarytonowym możliwe jest budowanie superczułych sensorów biologicznych i chemicznych, wykrywających zanieczyszczenia, pojedyncze bakterie, nici DNA lub niebezpieczne substancje.
|
a) |
 |
b) |
 |
Rys. 1. a) grafen płatkowy [Laboratorium Grafenowe PW],
b) fale powierzchniowe Blocha w nanostrukturach grafenowych.
[1] O. Voronych, A. Buraczewski, M. Matuszewski, M. Stobińska, Exciton-polariton localized wave packets in a microcavity, Phys. Rev. B 93, 245310 (2016).
PDF
[2] A. Gianfrate, L. Dominici, O. Voronych, M. Matuszewski, M. Stobińska, D. Ballarini, M. De Giorgi, G. Gigli, D. Sanvitto, Superluminal X-waves in a polariton quantum fluid, Light: Science & Applications 7, e17119 (2018).
PDF
