Cientistas da Universidade de Varsóvia, da Universidade de Tecnologia Militar e da Universidade de Southampton apresentaram um novo tipo de microlaser ajustável emitindo dois feixes. "Esses feixes são polarizados circularmente e direcionados em diferentes ângulos", diz o prof. Jacek Szczytko da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia. Essa conquista foi obtida pela criação da chamada hélice de spin persistente na superfície da microcavidade. Os resultados foram publicados em Revisão Física Aplicada .
Para conseguir esse efeito, os cientistas preencheram a microcavidade óptica com um cristal líquido dopado com um corante laser orgânico. A microcavidade consiste em dois espelhos perfeitos colocados próximos um do outro – a uma distância de 2-3 mícrons – de modo que uma onda eletromagnética estacionária é formada em seu interior. O espaço entre os espelhos foi preenchido com um meio óptico especial - cristal líquido - que foi adicionalmente organizado usando um revestimento especial de espelho.

"O traço característico dos cristais líquidos são suas moléculas alongadas e, figurativamente falando, eles eram 'penteados' na superfície dos espelhos e podiam ficar de pé sob a influência de um campo elétrico externo, virando também outras moléculas preenchendo a cavidade", diz primeiro autor, Marcin Muszynski, da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia.

A luz na cavidade interage com as moléculas de diferentes maneiras quando o campo elétrico da onda propagante oscila ao longo das moléculas e quando as oscilações são perpendiculares a elas. O cristal líquido é um meio birrefringente - pode ser caracterizado por dois índices de refração, que dependem da direção das oscilações do campo elétrico (ou seja, a chamada polarização da onda eletromagnética).

O arranjo preciso das moléculas dentro da microcavidade do laser, obtido na Universidade de Tecnologia Militar, resultou no aparecimento de dois modos de luz linearmente polarizados na cavidade – ou seja, duas ondas estacionárias de luz com polarizações lineares opostas. O campo elétrico alterou a orientação das moléculas dentro da cavidade óptica, o que alterou o índice de refração efetivo das camadas de cristal líquido. Assim, controlava o comprimento do chamado caminho óptico da luz - o produto da largura da cavidade e o índice de refração do qual depende a energia (cor) da luz emitida. Um dos modos não mudou sua energia à medida que as moléculas giravam, enquanto a energia do outro aumentava à medida que a orientação das moléculas mudava.

By optically stimulating the organic dye placed between the molecules of the liquid crystal, a lasing effect was obtained—coherent light radiation with a strictly defined energy. The gradual rotation of the liquid crystal molecules led to unexpected properties of this lasing. The lasing was achieved for this tunable mode:The laser emitted one linearly polarized beam perpendicular to the surface of the mirrors. The use of liquid crystals allowed for a smooth tuning of the light wavelength with the electric field by as much as 40 nm.

"However, when we rotated the liquid crystal molecules so that both energy of modes—the one sensitive to the orientation of the molecules and the one that did not change its energy—overlapped (that is, they were in resonance), the light emitted from the cavity suddenly changed its polarization from linear to two circular:right- and left-handed, with both circular polarities propagating in different directions, at an angle of several degrees," says Prof. Jacek Szczytko, from the Faculty of Physics of the University of Warsaw.

The phase coherence of the laser has been confirmed in an interesting way. "The so-called persistent-spin helix—pattern of stripes with different polarization of light, spaced 3 microns apart—appeared on the surface of the sample. Theoretical calculations show that such a pattern can be formed when two oppositely polarized beams are phase coherent and both modes of light are inseparable—this phenomenon is compared to quantum entanglement," explains Marcin Muszynski.

So far, the laser works in pulses because the organic dye that was used slowly photodegrades under the influence of intensive light. Scientists hope that replacing the organic emitter with more durable polymers or inorganic materials (e.g., perovskites) will allow for longer lifetime.

"The obtained precisely tunable laser can be used in many fields of physics, chemistry, medicine and communication. We use nonlinear phenomena to create a fully optical neuromorphic network. This new photonic architecture can provide a powerful machine learning tool for solving complex classification and inference problems, and for processing large amounts of information with increasing speed and energy efficiency," adds Prof. Barbara Pietka, from The Faculty of Physics UW. + Explorar mais

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