Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i studenci Inżynierii Nanostruktur UW razem z naukowcami z Wojskowej Akademii Technicznej, Instytutu Fizyki PAN oraz Uniwersytetu w Southampton (Wielka Brytania) i Skolkovo Institute of Science and Technology (Federacja Rosyjska), stworzyli quasi-dwuwymiarowy układ cienką wnękę optyczną wypełnioną ciekłym kryształem w którym uwięzili fotony o zadziwiających właściwościach.
Znajdujące się w takiej wnęce fotony zachowują się bowiem jak cząstki obdarzone masą. Takie kwazicząstki obserwowano już wcześniej, jednak trudno było nimi manipulować, gdyż pole elektryczne lub magnetyczne nie oddziaływuje ze światłem. Tym razem zauważono, że podczas sterowania orientacją anizotropowych molekuł materiału ciekłokrystalicznego we wnęce uwięzione tam fotony zachowywały się tak jak kwazicząstki obdarzone momentem magnetycznym, czyli spinem, poddane działaniu sztucznego pola magnetycznego.
Zachowanie światła w badanym układzie najłatwiej zrozumieć poprzez analogię do zachowania elektronów w materii skondensowanej. Ściśle mówiąc, elektrony w krysztale tworzą bardzo skomplikowany, oddziałujący ze sobą i siecią krystaliczną układ, którego opis jest możliwy dzięki wprowadzeniu pojęcia kwazicząstek. Ich ładunek, spin, masa i inne właściwości zależą od symetrii kryształu oraz od wymiaru przestrzennego, dzięki czemu fizycy mogą kreować quasi-wszechświaty pełne egzotycznych kwazicząstek. Bezmasowy elektron w grafenie jest jednym z takich przykładów. Równania opisujące dynamikę fotonów uwięzionych we wnęce przypominają równania ruchu elektronów ze spinem obserwuje się analogiczne sprzężenia ruchu (pędu) i spinu elektronu jak pędu i polaryzacji fotonu. Autorzy pracy, opublikowanej w Science [1], Katarzyna Rechcińska, Mateusz Król, Rafał Mazur, Przemysław Morawiak, Rafał Mirek, Karolina Łempicka, Witold Bardyszewski, Michał Matuszewski, Przemysław Kula, Wiktor Piecek, Pavlos G. Lagoudakis, Barbara Piętka i Jacek Szczytko, zbudowali układ fotoniczny, który doskonale imituje właściwości elektroniczne i prowadzi do wielu zaskakujących efektów fizycznych. Dr hab. Michał Matuszewski z Instytutu Fizyki PAN był odpowiedzialny za opis teoretyczny doświadczeń, w tym wyjaśnienie dlaczego fotony posiadają polaryzację prowadzącą do powstania sztucznego "pola magnetycznego".
Odkrycie nowych zjawisk towarzyszących uwięzieniu światła w anizotropowych optycznie wnękach może umożliwić realizację nowych urządzeń optoelektronicznych, np. optycznych sieci neuronowych i wykonywanie obliczeń neuromorficznych. Szczególnie obiecująca jest perspektywa wytworzenia we wnękach unikalnego kwantowego stanu materii tzw. kondensatu Bosego Einsteina. Taki kondensat będzie można zastosować do obliczeń i symulacji kwantowych, czyli rozwiązywania problemów, które są zbyt trudne dla współczesnych komputerów. Mamy nadzieję, że zbadane zjawiska będą podstawą nowych rozwiązań technicznych i źródłem dalszych odkryć naukowych.
