Projekti / Programi
Optični mikroresonatorji na osnovi tekočih kristalov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
optični mikroresonatorji, fotonska integrirana vezja, tekoči kristali, kompleksna mehka snov
Raziskovalci (13)
Organizacije (2)
Povzetek
Fotonika in integrirana fotonika sta področji fizike, ki bosta imeli v 21. stoletju izjemno pomembno vlogo. Na teh področjih pričakujemo v naslednjih letih izjemen znanstveni in tehnološki napredek zaradi vedno večje vloge, ki jo imajo v sodobnem svetu telekomunikacije na osnovi svetlobnih vodnikov in prenosa informacij s pomočjo svetlobe. Predlagani projekt sodi po svoji tematiki v področje integrirane fotonike na osnovi kompleksne organske snovi in s svojo osnovno idejo prinaša novo paradigmo v to področje. Ideja projekta je zasnovana na elektrooptičnih lastnostih električno uglaševanih mikroresonatorjev na osnovi tekočih kristalov, ki predstavljajo nov in nekonvencionalen pristop na področju integrirane fotonike (Humar et al., Nature Photonics 3, 595(2009). Mikroresonatorji na osnovi tekočih kristalov so mikroskopske kroglice, izpolnjene s tekočim kristalom, ki so obkrožene z nosilnim polimernim sredstvom. Tovrstni mikroresonatorji imajo to posebno prednost, da je mogoče v njih konfinirati svetlobno valovanje, frekvenčni spekter tega valovanja pa je mogoče uravnavati z zunanjo električno napetostjo. V okviru predloženega projekta želimo preučiti mehanizme samourejanja mikroresonatorjev in planarnih valovodov v nosilnem sredstvu ter razumeti fiziko resonačnega prenosa svetlobe v nematskih tekočekristalnih mikroresonatorjih. Preučili bomo spektralne lastnosti optičnih mikroresonatorjev z različno notranjo strukturo, kakor tudi vplive zunanjega električnega in optičnega polja na spektralne resonančne lastnosti. Raziskovali bomo dinamiko odziva resonančnega spektra mikroresonatorjev na osnovi različnih faz tekočih kristalov ter določili mejne vrednosti frekvenčnega odziva takšnih resonatorjev. Raziskovali bomo fiziko resonančnega prehoda svetlobe v optičnem tranzistorju, ki ga tvori mikroresonator v tesnem stiku s planarnim valovodom, ter preučili možnosti realizacije resonančnega optičnega tranzistorja na osnovi uglašenega tekočekristalnega mikroresonatorja. Ugotoviti želimo, ali je mogoče uporabiti resonančni optični tranzistor na osnovi resonančno uglašenega mikroresonatorja kot osnovni element bodočega integriranega optičnega vezja, katerega svetlobno prepustnost bi bilo mogoče uravnavati z zunanjim električnim poljem ali z zunanjo svetlobo. Raziskati želimo vpliv strukture mikroresonatorjev na njihove spektralne in dinamične lastnosti. Posebej bomo preučevali lupinaste resonatorje in resonatorje z Braggovim reflektorjem na osnovi modre faze in holesterinskih tekočih kristalov ter ugotovili, ali je mogoče v takšnih mikroresonatorjih doseči stimulirano emisijo in optično ojačevanje. Predvidevamo, da bi imela uspešna realizacije tega projekta pomembne in dolgoročne vplive na fotonske mikronaprave 21. stoletja, saj bi pomenile prvi korak v smeri realizacije kompleksnih fotonskih vezij v 3D, zasnovanih na konfinirani kompleksni mehki snovi.
Pomen za razvoj znanosti
V znanstveni sferi velja konsenz, da je znanost o svetlobi tista znanost, ki bo imela eno od najbolj pomembnih vlog v 21. stoletju. Uspešno smo dokončali ambiciozen raziskovalni projekt, ki je v samem vrhu današnje znanosti o svetlobi, koloidih in tekočih kristalih in ki s svojimi novimi rezultati postavlja pomembne temelje za novo smer na področju fotonike. Projekt je prinesel veliko število novih znanstvenih spoznanj, med katerimi naj omenimo tri najbolj pomembne. Dosegli smo velik napredek pri razumevanju samoorganiziranja nematskih koloidov in disperzij, saj smo odkrili vozlanje in spletanje koloidnih delcev s poljem urejenosti kiralnega nematika. Odkritje vozlov in spletov je bilo objavljeno v reviji Science leta 2011 in pomeni preboj znanosti o tekočih kristalih na področje topologije. Odkritje ima poleg temeljnega pomena tudi močno uporabno vrednost, saj vozli in spleti omogočajo mehansko povezavo trdnih ali tekočih gradnikov v trdno in funkcionalno celoto, to je integrirano vezje iz mehke snovi. Pomemben znanstveni dosežek je odkritje barvilnega sunkovnega mikrolaserja na osnovi holesterinskega tekočega kristala, objavljeno leta 2010 v reviji Optics Express. Mikrolaser predstavlja svetlobni sunkovni mikro-izvor na osnovi kompleksne tekočine, v katerem svetlobne impulze uravnavamo s svetlobo in je vzbudil veliko pozornost znanstvene in tehnološke sfere po svetu. Tretji pomemben doprinos k znanosti je odkritje svetlobnih valovodov na osnovi smektičnih tekočih kristalov, v katerih smo pokazali tudi stimulirano sevanje svetlobe. Znanstveni rezultati projekta dokazujejo, da je zares mogoče izdelati posamezne fotonske mikroelemente izključno iz različnih, med seboj nezmesljivih tekočin. Takšne elemente je mogoče topološko zavozlati v trdno celoto, med posameznimi elementi pa lahko resonančno prehaja svetloba. S tem smo postavili temelje novi veji v fotoniki, ki jo imenujemo "topološka fotonika". Temelji na samo-organizirani mehki snovi, v kateri je pomembna topologija strukture snovi in po kateri bo mogoče tok fotonov uravnavati s fotoni. Rezultati projekta so bili objavljeni v številnih člankih, ki so dosegli veliko mednarodno odmevnost. O rezultatih projekta so poročali v nekaterih pomembnih revijah, kot je na primer Nature Photonics, vzbudili pa smo tudi pozornost Optical Society of America, ki je poročala o našem odkritju 3D mikrolaserja in svetlobnih vodnikih iz smektičnega tekočega kristala.
Pomen za razvoj Slovenije
Uspešno zaključen projekt »Optični mikroresonatorji na osnovi tekočih kristalov« je pomembno prispeval k vključitvi dela slovenske znanosti na področje fotonike v svetu. Fotonika je veja fizike, ki doživlja v zadnjih letih izjemno hiter razvoj na zelo različnih področjih, od kvantnega računalništva, preko vse-svetlobne tehnologije procesiranja signalov do zajemanja in pretvorbe energije sonca v obnovljive energetske vire. Projekt predstavlja uspešen doprinos na področju znanosti in tehnologije procesiranja optičnih signalov, po svojih temeljnih dosežkih pa sega tudi do abstraktne teorije topologije, katere realizacijo smo odkrili v tekočih kristalih. Uspešna izvedba projekta se kaže v naslednjih prispevkih, pomembnih za razvoj znanosti v Sloveniji: 1. Sodelovanje slovenskih znanstvenikov v mednarodnih projektih. Skupini, ki sta projekt izvajali, sta bili tudi po zaslugi tega projekta vključeni v 6 mednarodnih projektov s sorodno tematiko: (1) COST D43 Action Colloid and Interface Chemistry for Nanotechnology, members of WG2 "Synthesis and Availability of Reference Materials" (I. Muševič); (2) COST MP 0604, "Optical micromanipulation by nonlinear photonics", I. Muševic, Slovenian representative; (3) FP7 Marie Curie Initial Training Network "Hierarchical Assembly in Controllable Matrices" s tremi slovenskimi partnerji. (4) NEMCODE- Controlled Assembly and Stabilization of Functionalized Colloids in Nematic Liquid Crystals, Marie Curie podoktorski projekt, ki ga izvaja dr. Giorgio Mirri na Institutu J.Stefan (2013-2015). (5) LIVINGLASER- A laser made entirely of living cells and materials derived from living organisms, Marie Curie podoktorski projekt, ki ga izvaja dr. Matjaž Humar na IJS in General Hospital Corporation, Boston, ZDA. (6) Bilateralni projekt Slovenija-Ukrajina, BI-UA/13-14-007; Modre faze tekočih kristalov. 2. V postopku zaščite je patent »Spherical liquid-crystal laser« in sicer v EU, ZDA, Rusiji, Kitajski, Južni Koreji, Hong Kong, Japonski in Indiji. 3. Izvedena so bila 4 plenarna predavanja na velikih mednarodnih konferencah in sicer na "46th Biennial Meeting of the Colloid Society" v organizaciji Univerze v Paderbornu, "24th International Liquid Crystal Conference" v organizaciji International Liquid Crystal Society, na "8th Liquid Matter Conference" v organizaciji Univerze na Dunaju, "Wetting and Capillarity in Complex Systems" v organizaciji “Max-Planck Institute fur physik komplexe systeme” in »12th International Symposium on Colloidal and Molecular Electrooptics v organizaciji Univerze v Mainzu. 4. Izvedenih je bilo 12 vabljenih predavanj na mednarodnih znanstvenih konferencah. 5. O projektnih rezultatih smo poročali na 6 vabljenih predavanjih na tujih univerzah in sicer University of Oxford, University of Colorado at Boulder, Radboud University, Nijmegen, University of California, Santa Barbara, Univerza La Sapienza, Rim, in Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, Goettingen, Nemčija. 6. Iz tematike projekta so bili opravljeni tri doktorati in sicer dr. Tkalec Uroš, Institut 'Jožef Stefan', dr. Humar Matjaž, Institut 'Jožef Stefan', in dr. Venkata Subba Rao Jampani, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko. Uspešna izvedba projekta bo pomembno pripomogla pri vključevanju v prihodnje projekte, saj se na osnovi rezultatov pripravlja mednarodna projektna prijava na razpis "Future and Emerging Technologies" v okviru programa Horizon 2020, v letu 2017 pa bo v Ljubljani potekala velika mednarodna konferenca Liquid Matter 2017.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
