Kvarkadabrin fokus: električno uglaševani optični mikroresonatorji

     V tokratni Kvarkadabrin fokus postavljamo izsledke skupine raziskovalcev zbrane okoli prof. Muševiča z Instituta Jožef Stefan in s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, ki je uspela razviti električno uglašen optični mikroresonator. Se sliši zapleteno, akademsko? Pa sploh ni. Izsledki namreč lahko vodijo do kopice uporabnih tehnologij. Muševič in sodelavci so namreč pokazali, kako lahko izdelate majhne izvore svetlobe, ki jim s spreminjanjem zunanje napetosti spreminjate barvo. V prihodnje lahko ta ideja pripelje do npr. laserjev, kjer z obratom gumba spreminjamo valovno dolžino. O nastanku publikacije in o bodočih smereh razvoja smo povprašali prof. Muševiča.

    Kaj? (Referenca)
    Nature Photonics 3, 595 – 600 (2009)  Electrically tunable liquid crystal optical microresonators 

    Kdo? (Avtorji)    
    M. Humar (IJS), M. Ravnik (FMF, Univerza v Ljubljani), S. Pajk (Fakulteta za farmacijo, Univerza v Ljubljani) in I. Muševič (IJS in FMF)

    Kje? (“slovenska”, “evropska” ali “svetovna” raziskava?) 
    To je čisto domača publikacija. Ideja je nastala pri meni in se je razvijala med eksperimenti v sodelovanju z Matjažem Humarjem. Meritve je delal Matjaž Humar na oddelku F5 Instituta Jožef Stefan, teorijo je dodal Miha Ravnik s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, pomembno snov, ki smo jo uporabili v eksperimentu, pa je sintetiziral Stane Pajk s Fakultete za farmacijo Univerze v Ljubljani.  

    Zakaj? (Kako bi izsledke razložili svoji babici, dedku, teti, stricu…?) 
    V članku se ukvarjamo s kroženjem svetlobe znotraj majhne kapljice, premera okoli tretjine debeline človeškega lasu, torej je zelo majhna. Za lažje razumevanje si lahko zamislimo okroglo stekleno posodo, napolnjeno z vodo (v mislih imamo lahko npr. akvarij za ribe). Znotraj te posode ustvarimo svetlobo, kar lahko naredimo z dodatkom fluorescenčnega barvila. En del svetlobe, ki jo oddaja fluorescenčno barvilo, se odbije na meji posode z zrakom zaradi totalnega odboja (kot svetloba nad razgreto cesto). Ta odbita svetloba potuje naprej in se zaporedoma odbija na stenah posode, dokler se ne vrne na začetno mesto. Kroženje svetlobe je uspešno, ce ima točno določeno barvo, in se v naslednjem obhodu valovanje zato zopet ujame s prejšnjim valom. Dobimo torej svetlobno valovanje določene barve, ki je ujeto znotraj posode in kroži tik ob ekvatorju po notranjosti posode. V našem primeru je ta posoda zelo majhna kapljica tekočega kristala. Ko po njej kroži svetloba, pravimo da resonira. Število odbojev svetlobe na stenah kapljice je okoli 100. Pomembna prednost kapljice iz tekočega kristala proti kapljici iz vode je, da lahko z zunanjim električnim poljem spreminjamo hitrost svetlobe v kapljici, s tem pa tudi izbiramo barvo svetlobe, ki kroži po njej. Taki pripravi pravimo “electrically tunable microresonator” oziroma “električno uglaševana resonančna votlina”.  

    Zanimivo je, da srečamo podoben pojav v akustiki. V katedrali svetega Pavla v Londonu se nahaja dvorana “Whispering Gallery”, imenovana tudi dvorana šepetajev. V njej lahko razločno slišite osebo, ki se pogovarja na drugem koncu dvorane. To se zgodi zaradi tega, ker zvok zakroži po galeriji z večkratnimi odboji na ukrivljeni steni galerije in tako uspešno pride do poslušalca. Podoben pojav slišimo tudi na Grand Central Station v New Yorku. Valovanja v okroglih resonatorjih zato pogosto imenujemo tudi Whispering Gallery Modes ali WGM.  

    Kako? (Kje se je najbolj zatikalo?) 
    Od ideje do prvih rezultatov smo prišli sorazmerno hitro, v nekaj mesecih. Ideja je namreč sila preprosta. Vse, kar je potrebno narediti, je zamešati malo tekočega kristala v polimer. Če se snovi ne mešata, dobite množico majhnih kapljic tekočega kristala v polimeru. V tekoči kristal pred tem še zamešate nekaj fluorescenčnega barvila, tako da te kapljice “zasvetijo”, ko jih osvetlite (glej sliko spodaj). Svetlobo, ki jo oddajajo kapljice, nato analizirate s spektrofotometrom in takoj opazite, da so v spektru ostre črte pri določenih valovnih dolžinah, ki ustrezajo določenim WGM. Če dodate še zunanje električno polje, hitro opazite, da se spekter “premika”, torej uglašujete spekter votlinskega valovanja. Načeloma se torej spreminja barva svetlobe, ki lahko resonančno niha v mikrokroglicah. Premik valovnih dolžin je zelo velik, približno 100 krat večji kot v trdni snovi. Članek smo poslali v objavo v Nature Photonics februarja 2009, prvi odgovor pa smo dobili šele junija 2009, saj so težko dobili recenzente za naš članek. Odgovor treh recenzentov je bil načeloma pozitiven, zahtevali pa so dodatne razlage in teorijo, ki takrat še ni bila vključena v članek.  

    Tedaj se je začel najbolj dramatičen del celotne zgodbe. Revija Nature Photonics namreč postavi avtorjem rok 1 meseca, v katerem naj odgovorijo na zahteve recenzentov. Če odgovorijo znotraj tega časa, in so recenzenti zadovoljni z odgovorom, potem vam članek objavijo ne glede na to, če je še kdo drugi objavil podobno stvar znotraj istega meseca. Če ne odgovorite v roku, vam ne garantirajo objave tudi če je odgovor recenzentov pozitiven. Zahteve, ki so jih postavili recenzenti so bile bolj natančne meritve spektra WGM črt, da bi določili faktor kvalitete teh resonatorjev (Q-faktor). Zato smo morali organizirati dodatne meritve zunaj IJS, nabaviti nov spektrometer v roku 1 tedna (!), prav tako pa je bilo potrebno izdelati teorijo optičnih resonanc v tovrstnih kapljicah. Zadeva teoretično ni trivialna, ker so to dvolomni resonatorji in imajo prav posebne optične lastnosti. Na srečo je kolega Miha Ravnik  v 1 tednu (!) lahko naredil numerične izračune spektra svetlobe, ki so se ujemali z izmerjenimi. Pri tem nam je zelo pomagal nasvet prof. S. Žumra, ki se je spomnil, da je okoli leta 1980 videl v neki reviji analitične izračune resonanc za podoben dvolomni sistem. Tako smo z nekaj zamude članek in odgovor oddali urednikom. V 1 tednu smo dobili pozitiven odgovor vseh treh recenzentov. Vse skupaj se je dogajalo čez poletje, kar je dodatno zapletlo celotno zgodbo. Kot zanimivost naj povem, da so na naslovnici oktobrskega izvoda Nature Photonics, kjer je bil članek objavljen, objavili tudi ilustracijo (“artists impression”) resonančnega kroženja svetlobe v tekočekristalnih kapljicah, katere avtor je Matjaž Humar, članku pa je bil namenjen tudi poseben predgovor v rubriki News & Views (glej sliko zgoraj).

    Kam? (Naslednja velika stvar na vašem področju?)
    Rezultati nam odpirajo pot do električno uglašenih mikrolaserjev,  če npr. tekočekristalnim kapljicam dodate lasersko barvilo. Predstavljate si lahko, da imate v kosu plastike milijarde mikrokapljic, vsaka pa deluje kot mikrolaser, katerega spekter lahko uravnavate z zunanjo električno napetostjo. Druga zanimiva pot so optična stikala. Imate dva valovoda, med njima pa v tesnem stiku mikroresonator. Po enem valovodu prihaja svetloba določene valovne dolžine. Če resonator uglasite na to frekvenco, bo svetloba tunelirala iz valovoda v resonator in iz njega v drugi valovod, sicer pa ne. Ustvarili ste svetlobno stikalo. Predstavljate si lahko, da naredite množico takih kapljic v 3D, vsaka pa predstavlja “resonančno krizisce” med valovodi, ki ga uravnavate z električnim poljem ali pa celo z močno svetlobo. Torej gremo po poti “soft matter all optical devices”, ki so morebiti osnova za kompleksne integrirane optične mikrosisteme.