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Mar 28, 2023

Physiker haben ein neues photonisches System mit elektrisch abgestimmten topologischen Merkmalen entwickelt

14. Oktober 2022 von

14. Oktober 2022

von der Universität Warschau, Fakultät für Physik

Wissenschaftler der Fakultät für Physik der Universität Warschau haben in Zusammenarbeit mit der Militärischen Technischen Universität, dem italienischen CNR Nanotec, der britischen Universität Southampton und der Universität Island ein neues photonisches System mit elektrisch abgestimmten topologischen Merkmalen erhalten, das aus Perowskiten und besteht Flüssigkristalle. Ihre Forschungsergebnisse werden in der neuesten Zeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

Perowskite sind Materialien, die die Chance haben, die Energiewelt zu revolutionieren. Hierbei handelt es sich um langlebige und einfach herstellbare Materialien, deren besondere Eigenschaft ein hoher Absorptionskoeffizient des Sonnenlichts ist und die daher zum Bau neuer, effizienterer Photovoltaikzellen verwendet werden. In den letzten Jahren wurden die bisher unterschätzten Emissionseigenschaften dieser Materialien genutzt.

„Wir haben festgestellt, dass zweidimensionale Perowskite bei Raumtemperatur sehr stabil sind, eine hohe Exzitonenbindungsenergie und eine hohe Quanteneffizienz aufweisen“, sagt Ph.D. Studentin Karolina Lempicka-Mirek von der Fakultät für Physik der Universität Warschau, die Erstautorin der Publikation. „Diese besonderen Eigenschaften können beim Bau effizienter und unkonventioneller Lichtquellen genutzt werden. Das ist wichtig für Anwendungen in neuen photonischen Systemen.“

„Insbesondere ist geplant, Perowskite zur Informationsverarbeitung mit hoher Energieeffizienz einzusetzen“, ergänzt Barbara Pietka, Forscherin von der Universität Warschau.

Den Wissenschaftlern ist es gelungen, ein System zu schaffen, in dem Exzitonen in einem zweidimensionalen Perowskit stark mit Photonen gekoppelt sind, die in einer doppelbrechenden photonischen Struktur gefangen sind: einem zweidimensionalen optischen Hohlraum, der mit einem Flüssigkristall gefüllt ist.

„In einem solchen Regime entstehen neue Quasiteilchen: excitonische Polaritonen, die vor allem für die Möglichkeit des Phasenübergangs zum Nichtgleichgewichts-Bose-Einstein-Kondensat, die Bildung supraflüssiger Zustände bei Raumtemperatur und starke Lichtemission ähnlich dem Laserlicht bekannt sind, " erklärt Barbara Pietka.

„Unser System erwies sich als ideale Plattform für die Erzeugung photonischer Energiebänder mit einer Berry-Krümmung ungleich Null und für die Untersuchung optischer Spin-Bahn-Effekte, die denen nachahmen, die zuvor in der Halbleiterphysik bei kryogenen Temperaturen beobachtet wurden“, erklärt Mateusz Krol, Ph.D. Student der Fakultät für Physik der Universität Warschau. „In diesem Fall haben wir die Spin-Bahn-Kopplung von Rashba-Dresselhaus im Bereich der starken Licht-Materie-Kopplung bei Raumtemperatur nachgebildet.“

„Die Erzeugung eines Polaritonbandes mit einer Berry-Krümmung ungleich Null war dank der Entwicklung einer speziellen Drehung der Flüssigkristallmoleküle an der Oberfläche der Spiegel möglich“, erklärt der Co-Autor der Studie, Wiktor Piecek von der Militäruniversität of Technology, wo die getesteten optischen Hohlräume hergestellt wurden.

„Die Beerenkrümmung beschreibt quantitativ die topologischen Eigenschaften von Energiebändern in Materialien wie 3D-topologischen Isolatoren, Weil-Halbmetallen und Dirac-Materialien“, erklärt Helgi Sigurdsson von der Universität Island. „Es spielt vor allem eine Schlüsselrolle beim anomalen Transport und beim Quanten-Hall-Effekt. In den letzten Jahren wurden viele bahnbrechende Experimente zur Gestaltung und Untersuchung geometrischer und topologischer Energiebänder in ultrakalten Atomgasen und zur Photonik durchgeführt.“

„Die in dieser Arbeit entwickelte photonische Struktur, die die Spin-Bahn-Kopplung und die Eigenschaften von Polaritonen nutzt, eröffnet den Weg zur Untersuchung der topologischen Zustände leichter Flüssigkeiten bei Raumtemperatur“, erklärt Jacek Szczytko von der Fakultät für Physik der Universität Warschau .

„Darüber hinaus kann es in optischen neuromorphen Netzwerken eingesetzt werden, wo eine präzise Kontrolle über nichtlineare Eigenschaften von Photonen notwendig ist“, fügt Barbara Pietka hinzu.

Mehr Informationen: Karolina Łempicka-Mirek et al., Elektrisch abstimmbare Beerenkrümmung und starke Licht-Materie-Kopplung in Flüssigkristall-Mikrokavitäten mit 2D-Perowskit, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq7533

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Fortschritte

Zur Verfügung gestellt von der Fakultät für Physik der Universität Warschau