Jak podaje WAT, badania otwierają drogę do produkcji ultraszybkich i wydajnych urządzeń optycznych nowej generacji.

Faza błękitna ciekłych kryształów to szczególna postać cieczy, w której cząsteczki w pewnym zakresie temperatur samorzutnie układają się w trójwymiarową, okresową strukturę. Taki układ ma własności kryształu fotonicznego, czyli może w kontrolowany sposób wpływać na przechodzenie światła. Właśnie dzięki swojej budowie faza błękitna może łączyć uporządkowanie przestrzenne z bardzo szybką odpowiedzią elektrooptyczną.

Jedną z głównych zalet tego materiału jest jego optyczna izotropia, czyli jednakowe zachowanie dla różnych polaryzacji światła (kierunków drgań pola elektrycznego w fali elektromagnetycznej). W klasycznych ciekłych kryształach działanie elementu optycznego zależy od ustawienia wiązki i wymaga starannego dopasowania całego układu. W fazie błękitnej, dzięki symetrii sześciennej, ten problem jest znacznie mniejszy.

Badacze z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie i Politechniki Warszawskiej skupili się na tym materiale i przedstawili wyniki swoich prac w artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym Scientific Reports (https://doi.org/10.1038/s41598-025-25918-0). Pokazali tam, że istotnie zarówno straty rozpraszania, jak i uzyskana modulacja fazy pozostają praktycznie takie same dla różnych stanów polaryzacji.

Istotniejszy problem dotyczył jednak jakości samego materiału. Faza błękitna często tworzy układy polikrystaliczne, złożone z wielu małych domen o przypadkowej orientacji. To prowadzi do rozpraszania światła i pogorszenia parametrów optycznych. Naukowcom z Warszawy udało się uzyskać duże monokrystaliczne obszary o kontrolowanej orientacji sieci krystalicznej. Jak opisała liderka zespołu dr hab. inż. Eva Oton, prof. WAT z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT, dzięki precyzyjnemu dobraniu domieszek chiralnych oraz odpowiedniej obróbce powierzchni szklanych komórek naukowcy wyhodowali „monokryształy o rozmiarach milimetrowych, które charakteryzują się jednolitą orientacją sieci krystalicznej na całej powierzchni próbki”.

Taki materiał ma wyraźnie lepsze właściwości użytkowe niż układy wielodomenowe. Dodatkowo każdy kryształ fotoniczny odbija promieniowanie o określonej częstotliwości. Ważnym elementem badań było więc przesunięcie tego pasma odbicia poza zakres światła widzialnego. Wówczas otrzymany materiał pozostaje przezroczysty i nie wprowadza niepożądanych barwnych odbić. To istotne dla wielu zastosowań technicznych.

Opracowany materiał posłużył do konstrukcji modulatora fazy. Jest to układ optoelektroniczny, który nie blokuje światła ani nie przyciemnia go, jak w telewizorach LCD, lecz zmienia fazę fali świetlnej, czyli opóźnia jej przebieg w kontrolowany sposób. Dzięki temu możemy nie tylko wyświetlać obrazy na ekranie, ale wręcz sterować kierunkiem biegu światła, a więc odległością i pozycją jego pozornych źródeł. Stąd tylko krok do tworzenia trójwymiarowych hologramów i soczewek automatycznie korygujących niedoskonałości systemów optycznych.

W badanych komórkach o grubości 3 mikrometrów uzyskano zmianę fazy około 1 radiana (ok. 16 proc. pełnego zakresu), a w komórkach 5-mikrometrowych około 1,6 radiana (ok. 25 proc. pełnego zakresu). Autorzy szacują, że dla grubości 10 mikrometrów możliwe byłoby osiągnięcie przesunięcia rzędu π radianów (50 proc. pełnego zakresu), co jest parametrem bardzo użytecznym z punktu widzenia praktycznych zastosowań.

W dodatku opracowany materiał jest niezwykle dynamiczny w działaniu. Z pomiarów badaczy wynika, że czas narastania odpowiedzi był krótszy niż 90 mikrosekund. To wynik wyraźnie lepszy od typowych urządzeń opartych na klasycznych ciekłych kryształach nematycznych, których odpowiedź jest zwykle znacznie wolniejsza. Taka skala czasowa ma znaczenie wszędzie tam, gdzie światłem trzeba sterować w czasie rzeczywistym.

Jak podaje WAT na swojej stronie internetowej, potencjał wykorzystania (monokryształów fazy błękitnej) jest ogromny.

„Dzięki połączeniu przezroczystości, niezależności od polaryzacji i ekstremalnej szybkości, technologia ta idealnie nadaje się do systemów rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości, takiej jak AR/VR, w której liczy się każdy mikrometr przestrzeni i każda mikrosekunda czasu reakcji” - czytamy.

W bardziej ogólnym ujęciu wyniki tej pracy badawczej pokazują kierunek rozwoju współczesnej fotoniki. W miejsce klasycznych materiałów optycznych coraz częściej projektuje się układy, których własności wynikają z precyzyjnie kontrolowanej struktury w skali mikro- i nanoskopowej. W tym przypadku kluczowe okazało się opanowanie uporządkowania fazy błękitnej w taki sposób, by materiał zachował zalety ciekłego kryształu, a jednocześnie działał jak stabilny i przezroczysty element fotoniczny.(PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ bar/