Tim istraživača sa Univerziteta u Varšavi u Poljskoj, Instituta Pascal CNRS u Francuskoj, Vojnog tehnološkog univerziteta u Poljskoj i britanskog Univerziteta Sautempton pokazao je da je moguće kontrolisati takozvane izuzetne tačke. Po prvi put, fizičari su takođe posmatrali uništavanje izuzetnih tačaka iz različitih tačaka degeneracije. O otkriću koje može doprineti stvaranju modernih optičkih uređaja možete pročitati u najnovijim Nature Communications.
Univerzum oko nas je napravljen od elementarnih čestica, od kojih većina ima svoje antičestice. Kada se čestica i antičestica, odnosno materija i antimaterija sretnu, dolazi do anihilacije. Fizičari su dugo bili u stanju da proizvedu kvazičestice i kvaziantičestice — elementarne pobude: naelektrisanje, vibracije, energiju — zarobljene u materiji, najčešće u kristalima ili tečnostima.
„Svet kvazičestica može biti veoma komplikovan, iako paradoksalno, same kvazičestice pomažu da se pojednostavi opis kvantnih fenomena“, objašnjava Jacek Ščitko sa Fakulteta fizike Univerziteta u Varšavi.
„Bez kvazičestica bilo bi teško razumeti rad tranzistora, dioda koje emituju svetlost, superprovodnika i nekih kvantnih računara. Čak i apstraktni matematički koncepti mogu postati kvazičestice, sve dok se mogu implementirati u fizičke sisteme. Jedan od takvih apstraktnih koncepata su izuzetne tačke“.
Objašnjavaju teoretičari Instituta Pascal CNRS u Francuskoj, Gijom Malpeš i Dmitrij Solniškov.
„Takozvane ‘izuzetne tačke’ su specifični sistemski parametri koji dovode do zajedništva dva različita rešenja koja mogu postojati samo u sistemima sa gubicima, odnosno onima u kojima oscilacije polako blede tokom vremena“, kaže Malpuech.
„Oni omogućavaju stvaranje efikasnih senzora, jednomodnih lasera ili jednosmernog transporta. Ono što je važno, svaka izuzetna tačka ima topološki naboj različit od nule — određenu matematičku karakteristiku koja opisuje osnovna geometrijska svojstva i omogućava vam da odredite koje izuzetne tačka će biti ‘antičestica’ za još jednu izuzetnu tačku“, dodaje Solniškov.
Naučnici sa Univerziteta u Varšavi i Vojnog tehnološkog univerziteta u saradnji sa istraživačima sa CNRS-a i Univerziteta u Sautemptonu analizirali su optički rezonator ispunjen tečnim kristalom. Tečni kristali su posebna faza materije u kojoj se razlikuju određeni pravci uprkos njenom tečnom obliku.
Može se sondirati, na primer, svetlosnim snopom, koji se ponaša različito u zavisnosti od smera upada u odnosu na optičke ose tečnog kristala. Ova karakteristika, u kombinaciji sa lakom podešavanjem pomoću spoljašnjeg električnog polja, predstavlja osnovu za rad uobičajenih displeja sa tečnim kristalima (LCD). Polarizovana svetlost — to jest, specifičan smer vibracija električnog polja elektromagnetnog talasa — savršeno „oseća“ smer optičkih osa, a one su povezane sa pravcem izduženih molekula tečnog kristala.
„U sprovedenom istraživanju sloj tečnog kristala je postavljen između dva ravna ogledala“, objašnjava Viktor Piček sa Vojnog tehnološkog univerziteta u Varšavi. „Cela struktura stvara optičku šupljinu, kroz koju može da prođe samo svetlost određene talasne dužine.
Ovaj uslov je ispunjen za takozvane rezonantne režime šupljine – to jest, svetlost određene boje (energije), polarizacije i pravca širenja. Ovo odgovara situaciji u kojoj foton koji padne u šupljinu može više puta da odskoči između dva ogledala.
Prisustvo tečnog kristala, čija se orijentacija može promeniti primenom napona, omogućava podešavanje energije režima šupljine. Pored toga, uslov rezonancije se menja kada svetlost pada pod uglom, što posebno može dovesti do toga da se različiti modovi šupljina ukrštaju jedan sa drugim, tj. da imaju istu energiju uprkos različitoj polarizaciji svetlosti.
Za specifičnu orijentaciju tečnog kristala koja se razmatra u članku, dva različita režima šupljine treba da se ukrštaju samo za četiri specifična upadna ugla svetlosti kada se razmatra idealna struktura bez ikakvih gubitaka. U stvari, svetlost zarobljena u šupljini može da pobegne kroz nesavršena ogledala ili da se rasprši.
Prosečno vreme zadržavanja fotona unutar mikrošupljine može se odrediti na osnovu spektroskopskih merenja. Štaviše, zbog orijentacije sloja tečnog kristala, primećena je razlika u rasejanju svetlosti polarizovane duž i okomito na osu tečnog kristala. Kao rezultat toga, na mestu svake tačke degeneracije za idealizovanu šupljinu bez gubitaka, uočen je par takozvanih izuzetnih tačaka za koje su i energija i životni vek fotona u šupljini isti.
Mateuš Krol, koji je prvi autor publikacije, opisuje eksperiment: „U testiranom sistemu je uočeno da se položaj izuzetnih tačaka može kontrolisati promenom napona primenjenog na šupljinu. Pre svega, kao električni prednapon. se smanjuje, izuzetne tačke nastale iz različitih tačaka degeneracije približavaju se jedna drugoj, i za odgovarajući nizak napon se preklapaju. Kako tačke približavanja imaju suprotan topološki naboj, one se u trenutku susreta anihiliraju, pa nestaju, ne ostavljajući izuzetne tačke“.
„Ova vrsta ponašanja topološke singularnosti, odnosno poništavanje izuzetnih tačaka iz različitih tačaka degeneracije, primećena je prvi put. Raniji rad je pokazao poništavanje izuzetnih tačaka, ali su se one pojavljivale i nestajale u potpuno istim tačkama degeneracije“, dodaje se. Ismael Septembre, dr. student CNRS.
Izuzetne tačke su poslednjih godina intenzivno proučavane u mnogim različitim oblastima fizike. „Naše otkriće će omogućiti stvaranje optičkih uređaja čija se topološka svojstva mogu kontrolisati naponom“, zaključuje Barbara Pietka sa Fakulteta fizike Univerziteta u Varšavi.
