Międzynarodowy zespół dr. hab. inż. Macieja Pieczarki, prof. uczelni z WPPT otrzymał tegoroczną nagrodę Tesla Prize. Przyznano ją za kwantowy przełom w nowoczesnej fotonice.

Naukowcy wykazali, że niezwykły stan materii – kondensat Bosego–Einsteina – może powstawać w standardowych laserach półprzewodnikowych stosowanych m.in. w telekomunikacji.

W trzeciej edycji konkursu kapituła, pod przewodnictwem prof. Pawła Hawrylaka (University of Ottawa), zdecydowała o nagrodzeniu projektu „Kondensacja Bosego-Einsteina fotonów w laserach półprzewodnikowych typu VCSEL – odkrycie nowego trybu działania urządzeń laserowych” zespołu naukowego dr. hab. inż. Macieja Pieczarki, prof. uczelni.

prof. Maciej Pieczarka i mgr inż. Aleksandra Bojakowska, doktorantka

W skład międzynarodowego zespołu, który opracował to wybitne osiągnięcie wchodzą: mgr inż. Aleksandra Bojakowska (WPPT), dr inż. Marcin Gębski (Politechnika Łódzka) prof. James A. Lott (Technical University of Berlin), dr hab. Axel Pelster (RPTU University Kaiserslautern-Landau), dr hab. inż. Michał Wasiak, prof. uczelni (Politechnika Łódzka) oraz prof. Tomasz Czyszanowski (także Politechnika Łódzka). Sponsorem nagrody jest KGHM Polska Miedź.

Lasery

Jak podkreśliło jury nagrody, nagrodzone badania dotyczą obserwacji kondensacji Bosego–Einsteina fotonów w laserze z pionową wnęką półprzewodnikową o emisji powierzchniowej, czyli VCSEL. To wyjątkowe osiągnięcie, ponieważ nie ogranicza się do eksperymentu laboratoryjnego, zostało zrealizowane w rzeczywistym urządzeniu laserowym wykorzystywanym w telekomunikacji. Wyniki badań opublikowano w 2024 r. w prestiżowym „Nature Photonics” oraz zaprezentowano na najważniejszych międzynarodowych konferencjach poświęconych fotonice. Odkrycie to ma dużą wartość innowacyjną i realnie wspiera rozwój fizyki oraz inżynierii laserowej, wyznaczając zupełnie nowy kierunek dla technologii VCSEL.

Niezwykły stan materii w zwykłym laserze

 prof. Maciej Pieczarka w Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur

– Nasze odkrycie dotyczy nowego sposobu uzyskania kondensatu Bosego–Einsteina, czyli niezwykłego stanu kwantowego, w którym cząstki zachowują się jak jedna makroskopowa fala – wyjaśnia prof. Maciej Pieczarka. – Choć zjawisko to przewidziano pierwotnie dla cząstek posiadających masę i występujących w ekstremalnie niskich temperaturach, fotony również mogą się skondensować, jeśli zostaną uwięzione w rezonatorze i będą odpowiednio oddziaływać z materią. Zespół wykazał, że kondensacja fotonów może zachodzić w standardowym laserze półprzewodnikowym typu VCSEL. – Wbrew klasycznym zasadom projektowania laserów, zbadaliśmy urządzenie ze znaczącą absorpcją światła przez materiał. Dzięki temu fotony wymieniały wielokrotnie energię z materiałem lasera i  osiągnęły równowagę termodynamiczną, a następnie skondensowały się w podstawowym modzie lasera, spełniając warunki teorii Bosego–Einsteina – dodaje naukowiec.

Przełom

Odkrycie ma charakter przełomowy, ponieważ pokazuje, że kondensacja fotonów nie jest zjawiskiem zarezerwowanym wyłącznie dla wyspecjalizowanych laboratoriów. Może ona zachodzić w powszechnie stosowanych laserach VCSEL, używanych m.in. w systemach komunikacji światłowodowej.

Badania zmieniają także klasyczne rozumienie działania laserów półprzewodnikowych. – Tradycyjnie emisja laserowa wymaga silnego wzbudzenia materiału, czyli tzw. inwersji obsadzeń – tłumaczy prof. Pieczarka. – W naszym przypadku emisja podobna do laserowej pojawiła się w warunkach równowagi i przy znacznie niższych prądach, co wcześniej uznawano za niemożliwe.

Nowy typ lasera otwiera szerokie perspektywy technologiczne. Kondensat światła, mimo że generuje wiązkę laserową, charakteryzuje się specyficznym, kwantowym „szumem”, odmiennym od laserowej, spójnej emisji. Ta cecha może znaleźć zastosowanie m.in. w obrazowaniu światłem o wysokiej intensywności, systemach LIDAR czy – co szczególnie istotne – w kwantowej generacji liczb losowych, kluczowej dla kryptografii i zaawansowanych symulacji komputerowych.

Badania nad nadciekłością światła

Naukowcy planują dalsze badania nad laserami emitującymi skondensowane światło w ramach projektu OPUS LAP, realizowanego we współpracy z dr. hab. Axelem Pelsterem.– Chcemy lepiej zrozumieć relację między temperaturą gazu fotonów, a temperaturą otoczenia oraz sprawdzić, czy kondensat może wykazywać właściwości nadciekłe – zapowiada prof. Pieczarka.

Potwierdzenie nadciekłości otworzyłoby drogę do projektowania nowych, energooszczędnych urządzeń kwantowych, w których światło propagowałoby bez strat. Równolegle analizowane będą statystyki emisji fotonów pod kątem ich wykorzystania w generacji liczb losowych.

Interdyscyplinarny zespół

Projekt zainicjował prof. Maciej Pieczarka, który pozyskał finansowanie z Narodowego Centrum Nauki i zaprosił do współpracy zespół z Politechniki Łódzkiej pod kierownictwem prof. Tomasza Czyszanowskiego. Próbki do badań przygotowali dr Marcin Gębski (Politechnika Łódzka) oraz prof. James Lott (TU Berlin). Łódzcy naukowcy wnieśli kluczowe kompetencje w zakresie konstrukcji i symulacji laserów VCSEL, natomiast analizę teoretyczną wyników wspierał dr hab. Axel Pelster – ekspert w dziedzinie teorii kondensacji Bosego–Einsteina.

Wielkie gratulacje dla prof. Macieja Pieczarki oraz międzynarodowego zespołu, z którym pracuje!

WARTO WIEDZIEĆ

Nagroda Tesla Prize powstała w 2023 roku i przyznawana jest za osiągnięcie ukończone lub udokumentowane w poprzednim roku kalendarzowym. Powinno ono wyróżniać się oryginalnością i wpływem na dyscyplinę naukową oraz otoczenie społeczne lub gospodarcze. Nagroda upamiętnia wybitnego naukowca Nikolę Teslę, którego kreatywne i nieszablonowe podejście do rozwiązywania problemów zmieniło świat nauki.