«Λέιζερ»: μία λέξη που στο μυαλό των περισσότερων από εμάς παραπέμπει σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας ή σε επέμβαση που πλέον χαρακτηρίζεται ρουτίνας.
Πρόκειται, ωστόσο, για μία τεχνολογία που διαρκώς αναπτύσσεται και υπόσχεται να μας δώσει πολλά περισσότερα στο μέλλον.
Ερευνητές του ΙΤΕ ανακαλύπτουν νέους τρόπους ελέγχου των ιδιοτήτων
του φωτός και μέσα από την πρωτοποριακή τους έρευνα αναμένεται να αναπτυχθούν νέου τύπου (τοπολογικά) λέιζερ και φωτονικοί υπολογιστές.
Ας τα πάρουμε, όμως, με τη σειρά…
Στη σύγχρονη εποχή της επανάστασης των κβαντικών υπολογιστών και των οπτικών τηλεπικοινωνιών, η δυνατότητα να χειριζόμαστε το φως με υψηλή ακρίβεια και ελάχιστες απώλειες αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για τη πρόοδο της τεχνολογίας. Καθώς η παγκόσμια κατανάλωση δεδομένων αυξάνεται, καινοτόμες, ταχύτερες, πιο αξιόπιστες και ενεργειακά αποδοτικές οπτικές συσκευές γίνονται ολοένα και πιο απαραίτητες. Σε αυτό το πλαίσιο, ο επιστημονικός τομέας της τοπολογίας σε φωτονικά συστήματα εμφανίζεται σαν καταλύτης στην αντιμετώπιση αυτών των νέων τεχνολογικών απαιτήσεων.
Σε μια πρωτοποριακή έρευνα, με τη σύμπραξη της φωτονικής και της επιστήμης των υλικών, ερευνητές του ΙΤΕ και του Πανεπιστημίου Κρήτης ανακάλυψαν μια νέα κατηγορία ασύμμετρων τοπολογικών καταστάσεων σε ανισότροπους δισδιάστατους (2D) περοβσκιτικούς κρυστάλλους τοποθετημένους μέσα σε μικροκοιλότητες. Αυτή η ανακάλυψη σηματοδοτεί ένα καθοριστικό ορόσημο στην διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης, με σημαντικές εφαρμογές στις φωτονικές τεχνολογίες νέας γενιάς.
Η τοπολογική φωτονική, ένα αναδυόμενο πεδίο που βασίζεται στις αρχές της τοπολογίας στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, έχει αναδιαμορφώσει ριζικά τον χειρισμό και τον έλεγχο του φωτός. Η τοπολογία ορίζεται ως η μαθηματική έννοια κατά την οποία κάποιες γεωμετρικές ιδιότητες των συστημάτων παραμένουν αναλλοίωτες σε παραμορφώσεις.
Παραδοσιακά, ητοπολογική φωτονική σχετιζόταν με τη διάδοση του φωτός σε ισότροπα και ομοιογενή μέσα. Ωστόσο, η εγγενής δομική ανισοτροπία ορισμένων υλικών σε συνδυασμό με τη γεωμετρική ασυμμετρία κάποιων συστημάτων, εισάγει μια νέα πολυπλοκότητα και αναδεικνύει καταστάσεις που δεν είχαν παρατηρηθεί προγενέστερα.
Στον πυρήνα αυτής της έρευνας βρίσκεται ο εξειδικευμένοςτομέας των μικροκοιλοτήτων, μικροσκοπικών (διαστάσεων της τάξης εκατομμυριοστού του μέτρου) οπτοηλεκτρονικών δομών που εμπεριέχουν δισδιάστατους κρυστάλλους περoβσκιτών, μια κατηγορία υλικών γνωστών για τις εξαιρετικές οπτοηλεκτρονικές τους ιδιότητες και τις εύκολες τεχνικές κατασκευής τους.
Εκμεταλλευόμενη το ανισότροπο περιβάλλον μέσα σε αυτές τις μικροκοιλότητες, η ερευνητική ομάδα κατάφερε να παρουσιάσει πειραματικά και θεωρητικά εκπομπές φωτός, που χαρακτηρίζονται από τοπολογική προστασία— ένα χαρακτηριστικό που εξασφαλίζει την ανθεκτικότητά τους έναντι ατελειών και διαταραχών που παραδοσιακά επιβαρύνουν τα οπτικά συστήματα.
Οι εφαρμογές αυτών των ευρημάτων είναι ευρείες. Η ενσωμάτωση ασύμμετρων τοπολογικών φωτονικών καταστάσεων σε πρακτικές συσκευές αναμένεται να ενισχύσει δραστικά την αποδοτικότητα και τη σταθερότητα των οπτικών κυκλωμάτων σε τσιπ. Για παράδειγμα, η εγγενής ανθεκτικότητα σε ατέλειες θα μπορούσε να μετριάσει τις απώλειες σκέδασης σε κυματοδηγούς φωτός νανοκλίμακας, οδηγώντας στη δημιουργία φωτονικών στοιχείων και λέιζερ χαμηλής κατανάλωσης. Επιπλέον, ο έλεγχος της κατεύθυνσης του φωτός θα μπορούσε να οδηγήσει σε καινοτομίες κβαντικών φωτονικών δικτύων, όπου η συνεκτική μεταφορά πληροφοριών είναι καίριας σημασίας.
Ένα άλλο συναρπαστικό στοιχείο είναι η ρυθμιζόμενη φύση των δομών. Μέσω τροποποιήσεων στη χημική σύσταση των κρυστάλλων και μέσω εξωτερικών διεγέρσεων, όπως μηχανική παραμόρφωση ή εφαρμογή ηλεκτρικών πεδίων, η ανισοτροπία και κατά συνέπεια τα τοπολογικά χαρακτηριστικά μπορούν να διαμορφωθούν δυναμικά. Αυτός ο δυναμικός έλεγχος ανοίγει το δρόμο για αναδιαμορφώσιμα φωτονικά στοιχεία, προσαρμόσιμα σε μεταβαλλόμενες απαιτήσεις λειτουργίας ή περιβαλλοντικές συνθήκες σε πραγματικό χρόνο.
Επιπλέον, η έρευνα αυτή γεφυρώνει ένα κρίσιμο κενό στον τομέα της φωτονικής,επεκτείνοντας την πέρα από τα όρια των συμμετρικών συστημάτων, προσφέροντας μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση του πώς η κρυσταλλική και γεωμετρική ανισοτροπία επηρεάζει την τοπολογία. Τέτοιες γνώσεις εμβαθύνουν στη θεμελιώδη κατανόηση των τοπολογικών φάσεων και διευρύνουν τα εργαλεία για τη σχεδίαση πολύπλοκων οπτικών δομών με προσαρμοσμένες λειτουργίες.
H ερευνητική κοινότητα αναμένεται να αξιοποιήσει αυτές τις γνώσεις για την ανάπτυξη ολοκληρωμένων οπτικών τσιπ, όπου οι ασύμμετρες καταστάσεις αξιοποιούνται για εξελιγμένες λειτουργίες, όπως τοπολογικά λέιζερ, αισθητήρες και αρχιτεκτονικές κβαντικών υπολογιστών. Ο συνδυασμός αλληλεπίδρασης ύλης-φωτός και τοπολογίας υπόσχεται μια ελπιδοφόρα προοπτική για ανακαλύψεις, ξεπερνώντας συμβατικούς περιορισμούς και αναδιαμορφώνοντας το μελλοντικό τοπίο της φωτονικής και των αντίστοιχων τεχνολογιών.
Σύμφωνα με το cretalive, η επιδραστική αυτή εργασία, αποτελεί το αποτέλεσμα μιας μακρόχρονης ερευνητικής προσπάθειας και συνεργασίας μεταξύ ερευνητών σε Ελλάδα, Κίνα, Ρωσία και Μ. Βρετανία. Η συνεργασία μεταξύ πειραματιστών, θεωρητικών και επιστημόνων υλικών ήταν καθοριστική για αυτό το πολυσχιδές επίτευγμα.
Ο συντονισμός της ερευνητικής προσπάθειας έγινε από το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) του ΙΤΕ, από την ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον συνεργαζόμενο ερευνητή του ΙΗΔΛ και επισκέπτη Καθηγητή του τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου Κρήτης Παύλο Σαββίδη στα πλαίσια της διατριβής του υποψήφιου διδάκτορα (πλέον Δρ.) Μανόλη Μαυροτσουπάκη.
Την ερευνητική ομάδα συμπληρώνουν ο Καθηγητής του τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου Κρήτης Κωνσταντίνος Στούμπος, οι μεταδιδακτορικoί ερευνητές Λεωνίδας Μουχλιάδης και Ιωάννης Πάσχος και οι μεταπτυχιακοί φοιτητές Μίνωας Χαιρέτης, Μάριος Τριανταφύλου-Rundell, Ελένη Μακρόπουλος και Απόστολος Παντούσας.
Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο έγκριτο περιοδικό του εκδοτικού οίκου Springer Nature, Light: Science&Applications (EmmanouilG. Mavrotsoupakis, LeonidasMouchliadis, JunhuiCao, MinoasC. Chairetis, MariosE. Triantafyllou-Rundell, EleniC. P. Macropulos, GiannisG. Paschos, ApostolosPantousas, HuayingLiu, AlexeyV. Kavokin, HamidOhadi, ConstantinosC. Stoumpos&PavlosG. Savvidis, “Unveilingasymmetrictopologicalphotonicstatesinanisotropic 2Dperovskitemicrocavities” Light: Science&Applications (2025) https://www.nature.com/articles/s41377-025-01852-8).
