Projekti / Programi
Topologija in fotonske lastnosti tekočekristalnih koloidov in disperzij
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P260 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
eksperimentalna topologija, fotonika, fizika tekočih kristalov, fizika mehke snovi koloidi, disperzije
Raziskovalci (16)
Organizacije (2)
Povzetek
Predlog raziskovalnega projekta je s področja fotonike, ki je v 21. stoletju med najhitreje razvijajočimi se vejami znanosti in tehnologije in obsega raziskave od kvantnega računalništva in teleportacije do razvoja svetlobnih vezij za vse-optično procesiranje informacij in trajnostnega izkoriščanja sončeve energije. Predlagani projekt sodi v področje eksperimentalne topologije in fizike mehke snovi in po svojih dolgoročnih ciljih posega na področje integriranih fotonskih vezij prihodnosti, v katerih se informacije prenašajo s fotoni, tok informacij pa prav tako uravnavamo s fotoni. Projekt je torej svojevrsten izziv prevladujočeim "mainstream" pristopom k razvoju fotonskih sistemov, ki temeljijo na trdni snovi, oziroma silicijevi tehnologiji iz 20. stoletja, saj predlaga nov pristop, ki temelji na mehki snovi in s tem uvaja prednosti, ki jih ni mogoče realizirati na trdni snovi. Ideja projekta je zasnovana na dveh temeljih, ki smo jih razvili v zadnjih petih letih. Prvi temelj so fotonske lastnosti majhnih kapljic ali samo-sestavljivih vlaken iz tekočega kristala-disperzij, iz katerih je mogoče izdelati prilagodljive optične mikro-resonatorje, barvilne mikro-laserje in izjemno učinkovite vodnike svetlobe, kar skupaj predstavlja nov in nekonvencionalen pristop na področju integrirane fotonike (Humar et al., Nature Photonics 3, 595(2009). Drugi temelj je kompleksna topologija, ki smo jo odkrili v tekočekristalnih koloidih in se najbolj izkazuje v pojavu vozlov in spletov v kiralnih tekočih kristalih (Tkalec et al., Science 333, 62 (2022)). Topologija nematskih defektov se je izkazala kot izjemno učinkovit vezavni mehanizem, s katerim je mogoče koloidne vključke v tekočem kristalu med seboj trdno povezati v 3D strukture. V okviru projektu želimo združiti znanje s področja fotonike in topologije nematskih koloidov in disperzij z namenom razumeti fiziko svetlobnih vezij na osnovi topološke mehke snovi. Raziskovali bomo topološke lastnosti kompleksnih objektov v tekočem kristalu in uporabili Kibble-Zurekov kozmološki mehanizem generiranja topoloških nabojev na teh objektih. Preučili bomo vpliv topološkega rodu objektov in omejujočega prostora na pojavnost topoloških defektov, še posebej vozlov in spletov. Vse to nam bo omogočilo prestaviti meje našega znanja o topologiji tekoče kristalnih disperzij in postaviti temelje za izdelavo prostorsko in funkcionalno kompleksnih 3D svetlobnih vezij. Po drugi strani želimo raziskati povezavo med topologijo snovi in topologijo svetlobnega polja, ki se po takšni snovi širi. Zanima nas, kakšni so lastni valovi, ki se širijo vzdolž topoloških defektnih linij različnih moči ali v votlinskem resonatorju s topologijo Moebiusove votline. Zelo velik poudarek bo na raziskavah dinamike svetlobe v omejeni topološki mehki snovi. Raziskovali bomo dinamiko fluorescence in nelinearne optične efekte v tekočekristalnih kapljicah, ki tvorijo optične mikroresonatorje. Raziskovali bomo časovno uravnavanje fluorescence s stimuliranim optičnim izčrpavanjem fluorescenčnih vzbujenih stanj barvilnih molekul v tekočem kristalu (STED efekt). Končni cilj na tem področju raziskav je praktična realizacija uravnavanja svetlobe s svetlobo v fluorescenčno označenih tekočekristalnih resonatorjih v gigaherčnem področju, s čimer bi dinamiko uravnavanja svetlobe v tekočih kristalih pospešili za šest (6) velikostnih razredov. Uspešna realizacija predvidenih topoloških raziskav in raziskav dinamike uravnavanja svetlobe v topološki mehki snovi bi lahko imela pomembne in dolgoročne vplive na razvoj svetlobnih informacijskih sistemov prihodnosti.
Pomen za razvoj znanosti
Znanstveni rezultati raziskovalnega projekta Topologija in fotonske lastnosti tekočekristalnih koloidov kažejo, da je projekt v samem vrhu današnje znanosti o svetlobi in topologiji mehke snovi. Rezultati projekta so prinesli vrhunske objave med katerimi posebej izstopajo objavljeni članki v revijah družine Nature ter predstavitve v obliki vabljenih predavanj na mednarodnih znanstvenih konferencah. Ti dosežki jasno kažejo in še utrjujejo vodilno svetovno vlogo projektne skupine na področju fotonike in topologije tekočih kristalov. Na področju eksperimentalne topologije tekočih kristalov je projekt dosegel pomembna nova spoznanja o tvorbi defektov preko Kibble Zurekovega mehanizma ob zlomu simetrije pri faznem prehodu. Projekt je pojasnil več pomemembnih odprtih vprašanj, kot so mehanizmi generiranja topoloških nabojev na objektih v tekočih kristalih in vpliv topologije objektov in prostora na topologijo kompleksnih tekočekristalnih disperzij. V okviru projekta je bil dosežen pomemben preboj na področju tridimenzionalnega slikanja topoloških struktur in objavo članka o večvalentnih topoloških nabojih, kar je prvi tak znan primer v fiziki nasploh. Projekt je dosegel tudi pomembna spoznanja, ki so pomembna za uporabo tekočih kristalov v ultrahitri fotoniki. Rezultati jasno kažejo da je mogoče uravnavati tok svetlobe v teh sistemih s svetlobo in da je mogoče za ta namen uporabiti nelinearno optiko tekočih kristalov in resonančno uravnavanje fluorescence preko stimulirane emisije svetlobe. Ta spoznanja so potisnila meje obstoječega znanja in odprla mnoge znanstveno in tehnološko pomembne poti v sodobni fotoniki.
Pomen za razvoj Slovenije
Uspešno izveden raziskovalni projekt Topologija in fotonske lastnosti tekočekristalnih koloidov in disperzij je veliko prispeval k razvoju znanosti v Sloveniji in je pripomogel k uveljavitvi slovenskih znanstvenikov s področja tekočih kristalov v sam svetovni vrh na tem področju. Tako velik uspeh je bilo mogoče doseči zaradi tesnega in koherentnega sodelovanja skupine za eksperimentalno fiziko tekočih kristalov na Institutu J. Stefan pod vodstvom prof. I. Muševiča in skupine za numerične simulacije v okviru teorije mehke snovi na Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani pod vodstvom prof. Slobodana Žumra. Fotonika je v svetu prepoznana kot vodilna znanstvena in tehnološka disciplina, ki bo krojila industrijske tehnologije 21. stoletja. Slovenski raziskovalni skupini na področju fotonike tekočih kristalov sta k temu hitro razvijajočemu se področju prispevali nekatere originalne in revolucionarne ideje. Med te ideje 21. stoletja prav gotovo sodi predlog samoorganizirane fotonske strukture na osnovi mehke snovi, v kateri se svetlobno kodirane informacije uravnavajo s svetlobno kodiranimi ukazi. Uspešno realizirani projekt Topologija in fotonske lastnosti tekočekristalnih koloidov in disperzij je pokazal, da je takšna vizija realna in postavil fizikalne in tehnološke temelje, ki so potrebni za izvedbo takšnega mikrovezja. Rezultati tega projekta so bili predstavljeni širši domači in tuji znanstveni, strokovni in širši javnosti, odmevi pa prihajajo v obliki citiranosti del s tega projekta kakor tudi povabila za predavanja na mednarodnih strokovnih konferencah in delavnicah. Projekt kaže zelo pozitiven doprinos k dvigu kakovosti in ugleda slovenske znanosti v svetovnem merilu, kar se kaže v naslednjih prispevkih: Objava člankov iz tematike projekta v vrhunskih mednarodnih revijah z zelo visokim faktorjem vpliva. Objavljen je bil en članek v Nature Physics (IF=22,8 ) in dva članka v reviji Nature Communications (IF=12,1 ). V revijah ranga srednje velikega vpliva sta bila objavljena dva članka v reviji Scientific Reports (IF= 4,25) in dva članka v reviji Optics Express (IF=3,1). Izvedeno je bilo eno plenarno predavanje na veliki mednarodni konferenci 4th International Soft Matter Conference, 11.09. do 15.09.2016, plenarno predavanje I. Muševič, Liquid Crystal Colloids Člani projektne skupine so izvedli več kot 20 vabljenih predavanj na mednarodnih znanstvenih konferencah, delavnicah in univerzah. Podeljen je bil ameriški patent avtorjev I. Muševič in M.Humar, Spherical liquid-crystal laser : patent US 9263843 B2. United States Patent Office, 16. feb. 2016. Prijavljena je bila PCT patentna prijava Two mode electro-optic filter : patentna prijava WO2017117570 (A1). Geneve: International Bureau of WIPO = World Intellectual Property of Organization, 7. jul. 2017, avtorjev A. Petelina in I. Muševiča. Vodja projekta I. Muševič je na povabilo založbe Springer napisal in izdal knjigo Liquid crystal colloids, (Soft and biological matter). Cham: Springer, cop. 2017. XV, 303 str., ilustr. ISBN 978-3-319-54914-9. Člani projektne skupine so aktivno sodelovali pri triletni pripravi in izvedbe velike mednarodne konference Liquids 2017, ki je privabila 650 udeležencev iz 21 držav sveta. Konferenca je potekala v Ljubljani med 17. in 21. julijem 2017, v letu 2017 je bila to največja konferenca na širšem področju znanosti o tekočinah. Vodja konference je bil Prof. I. Muševič, vodja tega projekta. Iz tematike projekta so bila opravljena doktorska dela Maryam Nikkhou, Miha Čančula in Gregor Posnjak.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
