Une équipe de chercheurs a développé une nouvelle méthode pour utiliser des cristaux liquides cholestétériques dans les microcavités optiques. La plate-forme créée par les chercheurs permet la formation et le réglage dynamique des cristaux photoniques avec un couplage de spin-orbite intégré (SOC) et une émission laser contrôlée. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Critiques laser et photonique. L'équipe est originaire de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie, de l'Université militaire de technologie et de l'Institut Pascal à l'Université Clermont Auvergne.
« Une structure uniforme d'hélice couchée (ULH) d'un cristal liquide à phase cholestrique est disposée dans la cavité optique. La Faculté de physique de l'Université de Varsovie, où des recherches sur de nouvelles microcavités optiques sont menées.
« Une structure cholestrique est une structure en spirale composée de couches de molécules orientées presque parallèles situées dans un seul plan. De la couche à la couche, l'orientation des molécules est doucement tordu, ce qui construit par une structure hélicoïdale qui rappelle les hélices d'ADN ou les nouilles de piggy '.
« Il s'avère que lorsqu'une telle structure est observée dans la direction perpendiculaire à l'axe de l'hélice sous un éclairage approprié, des rayures distinctes avec une largeur égale à la hauteur de l'hélice sont observées. L'utilisation de cristaux liquides qui répondent à un champ électrique permet un contrôle précis de cette hauteur, et donc de la structure des bandes photoniques, ouvrant de nouvelles perspectives dans l'ingénierie photonique », ajoute le profil de la photonzzy.
Les effets décrits sont rendus possibles par l'utilisation de la microcavité optique, qui restreint le mouvement de la lumière dans une dimension, ce qui lui donne des propriétés similaires aux particules dotées de masse. Dans la cavité, les photons qui n'ont pas de masse de repos commencent à se comporter comme des particules massives. L'ajout d'un potentiel photonique dans l'espace avec une période donnée associée à un saut d'hélice étend cette analogie et permet une manipulation supplémentaire de ces propriétés.
« L'objectif de nos recherches est de découvrir comment la lumière peut acquérir des propriétés normalement attribuées à la question tout en conservant ses caractéristiques uniques. Dans notre groupe, en utilisant des microcaves optiques à cristal liquide fabriquées en collaboration avec une équipe de l'Université militaire de technologie, nous avons étudié les analogues optiques d'effets précédemment connus à partir de physique à l'état solide », ajoutait le prof szczytko.
Les microcavités optiques ont été fabriquées par des chercheurs de l'Université militaire de technologie, dans le groupe du professeur Wiktor Pilek, en utilisant des structures hélicoïdales créées par le professeur Eva Oton dans les cavités fabriquées par le Dr Przemysław Morawiak et le Dr Rafał Mazur.
« Le développement d'un mélange et des conditions cristallins liquides appropriés qui permettent la formation d'une hélice homogène bien ordonnée sur une grande zone de cavité optique est un défi complexe en matière d'ingénierie des matériaux et de la technologie cristalline liquide. Notre équipe a de nombreuses années d'expérience dans le contrôle des structures cristallines liquides auto-organisées », souligne le PROFIC de WAT.
« Depuis des années, les scientifiques ont développé des nano- et des microstructures qui modulent les propriétés de la lumière qui interagissent avec eux. Les cristaux photoniques – des structures répétables avec des périodes comparables à la longueur d'onde de la lumière, qui conduisent à la formation de structures de bande et à des lacunes de bande qui empêchent les photons possédant des énergies spécifiques, comme ce qui se passe dans le cas des électrons dans le semi-condu Muszyński, premier auteur du journal et un doctorant effectuant des recherches à la Faculté de physique de l'Université.
« Cependant, les technologies typiques pour la production de cristaux photoniques présentent plusieurs inconvénients: leur fabrication est technologiquement complexe et donc coûteuse et longue. Les réseaux eux-mêmes sont limités, et les paramètres des structures fabriquées, telles que la période ou la« profondeur »d'un piège une fois construit, sont difficiles à changer.
« Notre travail résout ces problèmes – les structures créées par l'auto-organisation ont une surface dans l'ordre de centaines de micromètres carrés, et grâce à la réorientation des molécules de cristal liquide dans un champ électrique, nous pouvons contrôler dynamiquement la structure de la bande de la lumière piégée dans la microcavité.
« Le caractère unique de notre système réside dans le fait qu'il est formé par l'auto-organisation des molécules de cristal liquide, et le milieu lui-même conserve les propriétés d'un liquide. L'application d'une tension électrique nous permet d'observer en temps réel avec une caméra comment la structure évolue, tout en maintenant un ordre périodique », ajoute Muszyński.
« Les molécules de cristal liquide ont la forme d'un ellipsoïde allongé dans une direction. Cette caractéristique conduit à la formation d'une grande biréfringence, qui est cruciale pour la recherche menée. Il permet à la lumière de polarisations différentes d'interagir différemment avec le réseau, créant des bandes d'énergie indépendantes.
« Nous avons observé que l'introduction d'une inclinaison des molécules pour l'axe de l'hélice conduit à une interaction entre certaines des sous-bandes d'énergie pour les deux réseaux. Nous avons nommé cet effet Couplage de spin-orbite interband (ISOC) », explique Przemysław Oliwa, deuxième auteur de l'article et un Ph.D. Étudiant effectuant des recherches à la Faculté de physique de l'UW.
« L'interprétation et la description théorique précise de cet effet ont été suggérées par le professeur Guillaume Malpuech et le professeur Dmitry Solishkov, des chercheurs de l'Institut Pascal, Université Clermont Auvergne, France, qui collabore avec notre équipe. »
« Sur la base de notre expérience des travaux antérieurs, nous avons également introduit un colorant organique dans cette structure périodique de cristal liquide. Ce nouveau système nous a permis d'observer le lasing à partir de deux états avec des énergies différentes, c'est-à-dire un double laser.
« Ces derniers résultats montrent que nos recherches sont à la fois fondamentales et appliquées », ajoute le Dr Piotr Kapuscinski de la Faculté de physique de l'UW, co-auteur de l'article.
« Nos résultats ouvrent la porte aux applications en photonique topologique et en technologies laser modernes. Nous montrons de nouvelles possibilités pour combiner les effets SOC avec des structures photoniques périodiques, et indiquez des orientations pour de nouvelles recherches sur des phénomènes tels que les transitions de phase topologique, le modèle Szczytko non abélien ou les champs de caractéristiques non abéliens », conclut le professeur Szczytko.
