Czy światło może wirować jak trąba powietrzna? Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej oraz Institut Pascal CNRS odpowiedzieli gromkim „tak”, tworząc wirujące „optyczne tornada” w niezwykle małej strukturze. To osiągnięcie wskazuje nową drogę do budowy miniaturowych źródeł światła o złożonych kształtach, które mogą wspierać prostsze i bardziej skalowalne urządzenia fotoniczne do komunikacji optycznej i technologii kwantowych.

„Nasze rozwiązanie łączy kilka dziedzin fizyki, od mechaniki kwantowej, przez inżynierię materiałową, po optykę i fizykę ciała stałego” – wyjaśnia prof. Jacek Szczytko z Uniwersytetu Warszawskiego, lider grupy badawczej. „Inspiracja pochodzi z układów znanych z fizyki atomowej, gdzie elektrony mogą zajmować różne stany energetyczne. W fotonice podobną rolę odgrywają pułapki optyczne, które więżą światło zamiast elektronów.” Dr Marcin Muszyński, pierwszy autor badania z Uniwersytetu Warszawskiego i City College of New York, dodaje: „Można to sobie wyobrazić jako optyczny wir. Fala świetlna skręca się wokół własnej osi, a jej faza zmienia się spiralnie. Co więcej, nawet polaryzacja – kierunek drgań pola elektrycznego – zaczyna wirować.”

Te ustrukturyzowane stany światła są atrakcyjne dla zastosowań takich jak komunikacja kwantowa czy kontrolowanie mikroskopijnych obiektów, ale ich wytwarzanie zwykle wymagało skomplikowanych nanostruktur lub dużych układów doświadczalnych. Zespół wybrał inną strategię, używając ciekłego kryształu – materiału, który płynie jak ciecz, ale którego cząsteczki układają się w uporządkowany sposób, jak w krysztale. W tym materiale mogą tworzyć się specjalne defekty zwane toronami. „Można je sobie wyobrazić jako ciasno skręcone spirale, podobne do DNA” – wyjaśnia Joanna Mędrzycka, studentka nanotechnologii na Uniwersytecie Warszawskim, która wraz z dr Evą Oton z Wojskowej Akademii Technicznej przygotowała próbki ciekłego kryształu. „Jeśli taką spiralę zamkniemy, łącząc jej końce w pierścień przypominający pączka, otrzymujemy toron.”

Aby wzmocnić efekt, toron umieszczono w optycznej mikrownęce – strukturze z luster, która wielokrotnie odbija światło i utrzymuje je w zamknięciu. „To sprawia, że pole jest znacznie silniejsze” – mówi dr Muszyński. „Dodatkowo możemy kontrolować rozmiar pułapki, a tym samym właściwości światła, za pomocą zewnętrznego napięcia elektrycznego.” Zespół osiągnął też coś nowego: stabilne wiry świetlne w stanie podstawowym, czyli stanie o najniższej energii. „Po raz pierwszy udało nam się uzyskać ten efekt w stanie podstawowym” – wyjaśnia prof. Guillaume Malpuech z Université Clermont Auvergne i CNRS, który wraz z prof. Dmitrijem Sołnyszkowem i post-dokiem Daniiłem Bobylewem opracował model teoretyczny. „To istotne, ponieważ stan podstawowy jest najbardziej stabilny i najłatwiej gromadzi się w nim energia.” Aby potwierdzić akcję laserową, badacze wprowadzili barwnik laserowy, uzyskując światło, które wiruje, jest spójne oraz ma dobrze określoną energię i kierunek emisji.

Prof. Dmitrij Sołnyszkow zauważa: „Interesujące jest to, że nasze podejście czerpie inspirację z bardzo zaawansowanych teorii dotyczących tzw. ładunku wektorowego. W pewnym sensie udało nam się sprawić, że fotony zachowują się nie jak elektrony, ale jak kwarki.” Prof. Wiktor Piecek z Wojskowej Akademii Technicznej podsumowuje: „To odkrycie otwiera nową ścieżkę do tworzenia miniaturowych źródeł światła o złożonych strukturach. Zamiast polegać na skomplikowanej nanotechnologii, możemy używać samoorganizujących się materiałów. W przyszłości może to umożliwić prostsze i bardziej skalowalne urządzenia fotoniczne, na przykład do komunikacji optycznej lub technologii kwantowych.”