Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (UW), we współpracy z Instytutem Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IF PAN), Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk (CFT PAN) oraz innymi instytucjami z Włoch, Islandii i Australii, dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie fotoniki. Zespół ten zademonstrował nowatorskie metody tworzenia kryształów perowskitowych o precyzyjnie określonych kształtach, które mogą być używane w technologii fotonicznej jako falowody, sprzęgacze, rozdzielacze i modulatory. Wyniki badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Materials, przedstawiają również osiągnięcia w dziedzinie laserowania krawędziowego.

Perowskity w nowoczesnej fotonice

Perowskity to materiały, które wykazują wyjątkową wszechstronność i mogą być stosowane w wielu dziedzinach – od ogniw słonecznych po lasery. Prof. Barbara Piętka z UW, liderka projektu, wyjaśnia: „Perowskity, takie jak używany przez nas CsPbBr3, są doskonałymi półprzewodnikami do zastosowań optycznych ze względu na ich zdolność do wzmacniania oddziaływań ze światłem. Pozwala to na osiąganie nieliniowych efektów przy znacznie niższym zużyciu energii”.

Rola Polskiej Akademii Nauk

Wkład Polskiej Akademii Nauk był istotny dla sukcesu tego projektu. Dr Andrzej Opala z UW i IF PAN stworzył zaawansowany model teoretyczny, który pokazuje, jak naturalnie wytworzony rezonator wpływa na emisję światła w kryształach. „Nasze symulacje wykazały, jak numeryczna apertura i ograniczenie przestrzenne w mikrodrutach wpływają na obserwowane efekty” – mówi dr Opala.

Prof. Michał Matuszewski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN (CFT PAN) natomiast podkreśla, że odkrycia te mogą otworzyć drzwi do przyszłych urządzeń, które będą mogły działać na poziomie pojedynczych fotonów, integrując nanolasery z falowodami na jednym chipie. „Nasze odkrycia mogą zrewolucjonizować przemysł optyczny, umożliwiając tworzenie kompaktowych systemów on-chip zdolnych do przetwarzania zarówno klasycznych, jak i kwantowych zadań obliczeniowych” – dodaje prof. Matuszewski.

Innowacyjne metody i przyszłość technologii

Zespół badaczy zastosował zaawansowane techniki mikrofluidyczne oraz niemal atomowo gładkie matryce wykonane z arsenku galu, co umożliwiło wytwarzanie wysokiej jakości kryształów perowskitowych o różnych kształtach. „Dzięki naszej metodzie kryształy mogą być tworzone na dowolnych podłożach, co zwiększa ich kompatybilność z istniejącymi urządzeniami fotonicznymi” – mówi dr hab. Anna Szerling z Łukasiewicz-IMiF.

Mgr Mateusz Kędziora, doktorant z UW i pierwszy autor pracy, który opracował metody syntezy kryształów, zauważa, że nowatorskie kryształy umożliwiają obserwację silnych efektów nieliniowych bez potrzeby stosowania zewnętrznych luster Bragga, co otwiera nowe możliwości dla technologii zintegrowanych obwodów fotonicznych.

Znaczenie odkryć i potencjał komercyjny

Odkrycia te mogą odegrać kluczową rolę w przyszłości technologii optycznych, a szczególnie w fotonice działającej w temperaturze pokojowej. Opracowane struktury mogą być także kompatybilne z technologią krzemową, co zwiększa ich potencjał komercyjny. Wyniki tych badań mogą znacząco wpłynąć na rozwój nowoczesnych technologii fotonicznych, które znajdą zastosowanie w wielu dziedzinach – od telekomunikacji po komputery kwantowe.

Naukowcy z UW i PAN pokazali, że innowacyjna współpraca między uczelniami i instytutami badawczymi jest kluczem do przełomowych odkryć, które mogą zmienić przyszłość technologii optycznych.

Artykuł dostępny jest pod linkiem.